ヨーロッパの物理学者たちが、史上最小のスケールで重力の強さを測定したと発表した。

オランダのライデン大学、イギリスのサウサンプトン大学、イタリアのフォトニクス・ナノテクノロジー研究所の研究者たちは、巧妙な卓上実験で、質量が0.5ミリグラム弱の粒子にかかる約30アトニュートンの力を測定した。アトニュートンとは、力の標準単位であるニュートンの10億分の1である。

研究者たちは、この研究は「宇宙の構造に関するさらなる秘密を解き明かす」可能性があり、物理学における次の大きな革命に向けた重要な一歩になるかもしれないと述べている。

しかし、それはなぜなのだろうか？それは結果だけでなく、その方法と、批評家たちが「コスト上昇と収穫減少のループに陥っている可能性がある」と指摘する科学分野の進むべき道について、それが何を物語っているかということなのだ。

重力

物理学者から見れば、重力は極めて弱い力である。これは奇妙なことのように思えるかもしれない。朝、ベッドから起き上がろうとするときに弱いとは感じない！

それでも、私たちが知っている他の力、例えば、原子同士を結合させたり光を発生させたりする電磁気力や、原子の中心を結合させる強い核力などと比べると、重力は物体の間に比較的弱い引力を及ぼす。

そして、スケールが小さくなると、重力の影響はますます弱くなる。

星や惑星のような大きさの物体であれば重力の影響を見るのは簡単だが、小さくて軽い物体の重力の影響を検出するのははるかに難しい。

重力を調べる必要性

その難しさにもかかわらず、物理学者たちは小さなスケールでの重力の検証を強く望んでいる。それは、現在の物理学における100年来の謎の解決に役立つ可能性があるからである。

物理学は2つの極めて成功した理論に支配されている。

ひとつは一般相対性理論で、大きなスケールでの重力と時空を記述する。もうひとつは量子力学で、物質の基本構成要素である粒子と場を小さなスケールで説明する理論である。

この2つの理論はある意味で矛盾しており、物理学者は両方が適用されるべき状況で何が起こるのかを理解していない。現代物理学のひとつの目標は、一般相対性理論と量子力学を組み合わせて「量子重力」の理論を構築することである。

量子重力が必要とされる状況の一例は、ブラックホールを完全に理解することである。ブラックホールは一般相対性理論によって予言されており、私たちは宇宙空間で巨大なブラックホールを観測している。

しかし、現在のところ、一般相対性理論と量子力学をどのように結びつければ、量子領域で重力、ひいてはブラックホールがどのように働くかを説明できるのか、わかっていない。

新しい理論と新しいデータ

弦理論、ループ量子重力、因果集合理論など、量子重力の潜在的理論へのアプローチが数多く開発されている。

しかし、これらのアプローチは完全に理論的なものである。実験によって検証する方法は今のところない。

これらの理論を実証的に検証するには、量子効果が支配的な非常に小さなスケールで重力を測定する方法が必要だ。

最近まで、このようなテストは手の届かないものだった。世界最大の粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器よりもさらに大きな装置が必要であると考えられていた。

卓上実験

これが、最近の小規模な重力測定が非常に重要な理由である。

オランダと英国が共同で行った実験は「卓上」実験である。巨大な機械を必要としなかった。

磁場に粒子を浮かべ、重りを振りかざし、それに対して粒子がどのように “くねくね”と動くかを見るのである。

これは、ある惑星が別の惑星を振り切ったときに「くねくね」するのに似ている。

粒子を磁石で浮遊させることで、微弱な重力の影響の検出を難しくしている多くの影響から分離することができる。

このような卓上実験の優れた点は、何十億ドルもかからないことである。これは、小規模な重力実験を行う上での主な障壁のひとつを取り除き、物理学の進歩をもたらす可能性がある。(大型ハドロン衝突型加速器の後継機となる大型加速器の最新の提案では、170億ドルかかるとされている）。

やるべきこと

卓上実験は非常に有望だが、まだやるべきことがある。

最近の実験は量子の領域に近づいているが、そこまでは到達していない。このスケールで重力がどのように作用するかを調べるには、関係する質量と力をさらに小さくする必要がある。

また、卓上実験をここまで推し進めることは不可能かもしれないという可能性にも備える必要がある。

量子スケールでの重力実験を阻む技術的な制約があり、より大きな衝突型加速器の建設に逆戻りするかもしれないのだ。

理論に戻る

卓上実験を使って検証できるかもしれない量子重力理論の中には、非常に急進的なものもある。

ループ量子重力のように、非常に小さなスケールや高エネルギーで空間や時間が消失する可能性を示唆する理論もある。もしそれが正しければ、このようなスケールでの実験は不可能かもしれない。

結局のところ、私たちが知っている実験とは、特定の場所で特定の時間間隔で行われるものなのだ。もしこのような理論が正しければ、空間と時間が存在しない状況でも実験を理解できるように、実験の本質を考え直す必要があるかもしれない。

その一方で、小さなスケールで重力を含む単純な実験ができるという事実は、結局のところ空間と時間が存在することを示唆しているのかもしれない。

どちらが真実なのだろうか？それを知る最良の方法は、卓上実験を続けることであり、それを可能な限り推し進めることである。

本記事は、Sam Baron氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Gravity experiments on the kitchen table: why a tiny, tiny measurement may be a big leap forward for physics」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。