たった1ミリ低くなれば時間が遅くなります!科学者が初めてミリメートルスケールで一般相対性理論を検証

この記事はAI新メディアQuantum Bit（公開アカウントID：QbitAI）より許可を得て転載しています。転載の際は出典元にご連絡ください。

知っていましたか？地球では、床が低いほど、時間の流れが遅くなります。

これは形而上学ではありませんが、アインシュタインの一般相対性理論によって予測された時間の遅れの効果です。重力が大きいほど、時間は遅くなります。

△ 異なる高度差で時計が加速することを確認する（Nature からの画像）

本日のネイチャーの表紙を飾った記事は、高さがわずか1ミリメートル違うだけでも、時間の流れる速さが異なることを証明するものです。これは、これまでで最も小さなスケールで一般相対性理論を検証する実験です。

この研究はコロラド大学JILA研究所のイェ・ジュン氏のチームによるものである。

彼はチームを率いて世界で最も正確な原子時計を開発し、高さ1ミリメートルの差に対して時間の差は約1兆分の1 、つまり約3000億年でわずか1秒であり、これは一般相対性理論の予測と一致するという結論に達した。

この重力の違いによって生じる時間差を重力赤方偏移といいます。これまで何度も検証されてきましたが、これほど高精度に検出されたのは初めてです。

重力は光の周波数を変える

一般相対性理論によれば、重力場が強くなるほど時間の経過が遅くなり、それによって電磁波の周波数が変化するとされています。

青い光線を空に向けて発射すると、重力の影響で赤い端に向かって移動します。これを「重力赤方偏移」と呼びます。

当時、科学者たちはロケットを使って原子時計を高度1万キロメートルまで送り、それが海面の時計よりも速く、73年ごとに約1秒進んでいることを発見しました。

△ 異なる高度差で時計が加速することを確認する（Nature からの画像）

この差は身体では感知できませんが、 GPS は正確な位置を特定するためにこのわずかな時間差を補正する必要があるため、私たちの生活に深く関係しています。

12年前のほぼ同じ日に、カリフォルニア大学バークレー校のチームが、高さが33センチメートル異なる2つの原子時計の時間差を測定した。

現在、葉軍のチームは原子雲内の原子ガスの上端と下端の間の時間差を測定でき、その高さの差はわずか1ミリメートルです。

超高精度光格子時計

イェジュンのチームはなぜそんなに正確なのでしょうか?それは、より正確な時計、つまり光格子時計を使用したからです。

このシステムは、まず 6 本のレーザー光線を使用して 10 万個のストロンチウム原子を徐々に冷却し、最後に赤外線レーザーを使用してストロンチウム原子を超低温状態に維持します。

レーザーのコヒーレンスにより、空間内に低エネルギー領域が周期的に出現し、ストロンチウム原子がパンケーキ状の空間に閉じ込められます。

△ 光格子時計の原理（写真提供：NIST）

この設計により、光と原子の散乱によって引き起こされる格子歪みが低減され、サンプルが均質化され、原子の物質波が拡張されます。原子のエネルギー状態が非常にうまく制御されたため、いわゆる量子コヒーレンス時間として 37 秒という記録が達成されました。

精度向上に極めて重要なのは、イェ・ジュン氏のチームが開発した新しい画像化手法である。この方法は、サンプル全体の頻度分布の微細な画像を提供します。

この方法により、2 つの独立した原子時計を使用する従来の方法ではなく、原子クラスターの 2 つの領域を比較できるようになりました。

ストロンチウム原子は冷却された後、レーザービームで励起され、その外側の電子がより高い軌道に励起されます。

非常に狭い範囲のレーザー周波数のみが電子を励起できるため、励起する正確な周波数にレーザーを調整して測定するだけで、時間を極めて正確に測定できます。

△ ストロンチウム原子をレーザー励起して周波数を測定（NIST の画像）

1ミリメートル以内の赤方偏移はわずか約0.000000000000000000001 （ゼロは全部で19個あるので数えないでください）と非常に小さいため、精度を向上させるために、研究チームは約30分間の平均データを使用してこの問題を解決しました。

90時間にわたるデータ分析の結果、測定結果は9.8(2.3)×10-20mm-1となり、誤差範囲内で一般相対性理論と一致した。

量子力学と一般相対性理論の結びつき

この研究の責任著者であるイェ・ジュン氏は、この画期的な進歩により時計の精度が50倍向上する可能性があると述べた。

これによりGPSの精度が向上することが期待されます。

重力による赤方偏移のため、GPS 原子時計は時間を修正する必要があります。時間修正が正確であればあるほど、測位精度が高くなります。

これは物理学にとって大きな意義を持ちます。

最もエキサイティングなのは、量子力学と重力を結び付けることができるようになったことです。

イェ・ジュン氏は、高精度の原子時計により、曲がった時空内の異なる位置に分布する粒子の複雑な物理的状態など、曲がった時空における量子力学を探求する可能性が開かれると述べた。

さらに、現在の測定効果が10倍向上すれば、研究チームは時空の曲率を通過する原子の物質波全体を観察できるようになる。

これは、量子スケールでの重力の影響を探求し始めることができることを意味します。

カナダのウォータールー大学の理論物理学者フラミニア・ジャコミニ氏も、原子時計はこの問題を研究する上で最も有望なシステムの一つだと語った。

イェ・ジュンはこう言った。「おそらく、このわずかな周波数の違いが量子コヒーレンスを破壊し、マクロ的な時間を古典的なものにしているのでしょう。」

さらに、原子時計は顕微鏡で使用して、量子力学と重力の微妙な関係を観察することもできます。天体望遠鏡で使用して宇宙をより正確に観測することもできます。

実際、イェ・ジュン教授は原子時計を使って謎の暗黒物質の探索も行っています。

測地学においても、原子時計は研究者が地球をより正確に測定し、モデルを改善するのに役立ちます。

連絡先著者: イェ・ジュン

最後に、この研究の責任著者であるYe Junについて紹介します。

ジュン・イェ氏はコロラド大学物理学部の教授であり、国立標準技術研究所 (NIST) とコロラド大学の合弁機関である Jila 実験天体物理学研究所 (JILA) の研究者です。

イェ・ジュンは上海交通大学応用物理学科で学士号を取得し、コロラド大学で博士号を取得しました。コロラド大学ではノーベル物理学賞受賞者のジョン・ホールに師事しました。

イェ氏は1999年からコロラド大学ボルダー校で教鞭を執り、2008年にホール氏が退職した後は研究室の管理を引き継いだ。

葉軍は2011年に米国科学アカデミーの会員に選出され、2017年には中国科学院の外国人院士に選出され、2020年には「墨子量子賞」を受賞し、2021年には基礎物理学ブレークスルー賞を受賞しました。

主な研究分野は、極低温原子・分子、精密測定、多体量子物理学です。

2007年、葉軍氏と彼の研究チームは、7000万年に1秒の誤差しかない世界初のストロンチウム原子光時計を開発しました。

その後も彼はこの分野で記録を破り続けました。

2017年、彼のチームはストロンチウム原子を小さな三次元立方体に詰め込んだ新しい原子時計を設計した。ストロンチウム原子の密度は、従来の一次元原子時計設計の約1,000倍であり、原子時計の測定精度がさらに向上している。

2020年、イェ・ジュン氏のチームは3日以内にネイチャーとサイエンスに論文を発表しました。

『ネイ​​チャー』誌に掲載された論文「フェルミ温度以下での反応性分子の双極蒸発」で、彼のチームは初めて量子縮退ガスを実現した。

『サイエンス』誌に掲載された別の論文「電界を使用した反応性分子の共鳴衝突遮蔽」では、量子力学理論を使用して分子間の衝突を説明しています。

論文の宛先:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7