原子は二つの経路を落下し、量子位相はアインシュタインの予測に従った

実験室から見た落下と、一緒に落ちる観測者から見た同じ落下をどう比べればよいのか。国際研究チームは、アインシュタインの問いを原子干渉計で検証した。一方の経路では、各ルビジウム87原子に対応する波を地球に対してほぼ静止させた。もう一方には短い上向きの力を与え、その後は重力だけを受ける放物線軌道を進ませた。二つの経路を再び重ね、蓄積した位相差を測定した。9月2日付のScience Advancesに発表された結果は、調べた範囲で等価原理が予測する時間依存性と一致した。

実験は約2万個の原子からなるボース・アインシュタイン凝縮体を作り、コリメーションによって有効温度3.3ナノケルビンまで冷却するところから始まった。原子雲は原子チップの約113マイクロメートル下に置かれた。マイクロ波パルスで各原子を二つの内部状態の重ね合わせにする。二つの状態は磁場への応答が異なるため、チップ上の微細な導線で一方の波束を重力に逆らって支え、もう一方を弾道軌道へ送ることができた。論文の例では最大間隔は7.5マイクロメートルで、波束の大きさのおよそ7倍だった。

決定的な測定量は落下距離ではなく、量子波の周期内の位置を表す位相だった。二つの波束が位置と速度の両方で再び重なると、パルスで結合して干渉を起こした。各内部状態で検出された原子の割合から相対位相が分かる。飛行時間を変えると、位相が時間の3乗に比例して増える特徴が現れた。これは実験室系と自由落下系の変換から予測される。測定データは約80ラジアン、すなわち約13回の干渉振動を、3～6時間にわたる測定セッションで記録した。

この3乗則は、加速への抵抗を表す慣性質量と、地球の重力場への応答を決める重力質量が等しいことに依存する。この等しさが等価原理の核心である。弾道波束とともに落下する座標系では重力は局所的に消え、実験室では同じ時間発展が追加の位相として現れる。量子ガリレオ干渉計と名付けられた新装置は、光パルスを原子経路の鏡として使わず、二つの座標系を直接比較する。磁場で波束を操作するが、落下中に原子遷移との共鳴を保つ必要はない。

理想化した解析モデルと、三次元運動、不完全な再結合、波束の膨張、原子間相互作用を含む数値シミュレーションはいずれもデータを再現した。シミュレーションと測定値の残差は約2.5%だった。最大の系統的不確かさは、波束を押し出す電流と支える電流の比から生じた。わずかなずれでも時間に比例する位相が加わる。したがって一致は、この装置とパラメーター範囲で予測位相を確認するものだが、最高精度の古典的実験と同じ精度で等価原理のあらゆる破れを調べたわけではない。

この結果は、重力が量子化されていることも示さない。地球の重力場は古典的な背景として扱われ、重ね合わせ状態に置かれたわけでも、原子によって測定可能なほど変化したわけでもない。新しさはもっと限定的で具体的である。重ね合わせ状態の物質波が、重力と加速度の等価性が求める位相関係を保った。通常は別々に扱われる二つの記述を実験が結びつけたものの、一般相対論と量子力学を統一する理論を単独で与えたわけではない。

この装置構成は、より難しい問いへの実験経路を開く。著者らは量子時計として働く波の操作や、将来には原子をはるかに重いナノ粒子に置き換えることを提案する。そのような系では質量自体が重ね合わせに重要な役割を果たし、重力誘起崩壊の仮説を調べられるかもしれない。そこへ進む前にも、量子ガリレオ干渉計は測定可能な基準を提供する。原子が支えられた経路と自由落下経路を同時に占めるとき、両者の位相差はアインシュタイン理論と量子力学が共同で予測するように変化する。