見られ続けることで静止する、1ミリグラムの回転子

この20年で、物理学者は機械的な物体を量子的な限界近くで制御するすべを身につけてきた。フェムトグラムのナノスケール共振器から、重力波検出器の数キログラムの鏡までだ。だが、そのほぼすべては振動子で、ばねのように何かが中心へ引き戻している。量子力学で最も単純な系である、引き戻すものが何もない自由粒子は、こうした制御を拒んできた。自由な運動が展開する低い周波数では、周囲からの摩擦と雑音がすべてをかき消してしまうのだ。

ところが、いくつもの大きな問いに必要なのは、まさにその自由質量だ。重力が量子的かどうかの検証、量子力学の修正案の探究、未知の短距離力の探索などである。

ガラスの糸に吊るした鏡

オーストリア科学技術研究所（Institute of Science and Technology Austria）のUmang Mishra、Teodor Strömberg、Onur Hostenらは、試験物体をつくった。溶融石英製の重さ1ミリグラムの鏡の棒で、長さは2ミリメートル。これを溶融石英の繊維で吊るす。繊維は長さ15センチメートル、太さ1マイクロメートルで、全体は10⁻¹⁰ミリバール未満の真空中に置かれている。厳密に言えば、これは15秒に1回往復するねじれ振り子だ。だが、ここで問題になる数十ミリ秒という時間スケールでは、棒はその引き戻しをほとんど感じず、自由な物体としてふるまう。

その隔離ぶりは極端だ。チームは棒を揺さぶるランダムなトルクを測定し、わずか7ナノヘルツの減衰率から生じる以上の雑音は見つからなかった。加速度計として使えば、棒の先端は、この質量でのこれまでの最良の実験より100倍近く高感度になるという。

棒を観察するのは「二重光てこ」だ。2本のレーザー光線を鏡に逆方向から当てて反射させることで、レーザー自体のぶれは打ち消され、棒の回転だけが残る。3本目の光線は、光の圧力で棒を押すことができる。装置全体は地震振動を遮断する台の上に置かれ、独自の吊り鏡をもつ小さな干渉計が、その台に残るわずかな動きを追跡している。

わなの代わりに測定を

鍵となる考えは、連続測定がわなの代わりになりうるということだ。放っておけば、自由な物体の位置と速度の不確かさはどんどん広がっていく。休みなく測定すれば、その軌道は刻々と明らかになり、物体の状態についての知識は、有限の安定したぼやけに落ち着く。ここでは、そのぼやけは約26ミリ秒で安定する。

この残った不確かさは、温度とエントロピーの変化を結びつける教科書的な定義を通じて、温度に換算できる。この「エントロピー温度」は、回転子の運動がどれほど正確にわかっているかを表し、自由な物体と振動子を比べることを可能にする。

チームは棒を光で捕らえてから解放し、1.25秒の区間100回にわたってその角度を記録した。状態を再構成する2つの方法が比較された。過去の測定だけを使う「因果的」な推定と、その後の測定も使う「平滑化」した推定だ。両者の差から、状態が本当にどれだけよくわかっているかを確かめる新しい方法が得られた。

140ナノケルビン

過去のデータだけを使うと、回転子の状態は1.2マイクロケルビンに相当する。
平滑化すると、140ナノケルビンまで下がる。絶対零度より10億分の140度だけ上だ。

これは、機械的な物体を使ったこれまでの卓上実験より、約2桁冷たい。著者らによれば、これによってこうした系は、これまで主に蒸発冷却された原子の雲と結びつけられてきた極低温の領域に入る。従来のフィードバック冷却では、ここまで到達できなかったはずだ。

ただし下限がある。この隔離の水準では、温度は約15ナノケルビンより下がらないとモデルは予測する。ハイゼンベルクの不確定性原理により、位置をより細かく測るほど、回転速度はますますぼやけてしまうからだ。

静かな自由質量は何の役に立つのか

すぐに2つの用途が見えてくる。一部の理論は、量子的なぼやけが自発的に収縮するように量子力学を修正しており、そうなるとあらゆる物体にかすかなランダムな揺れが加わるはずだ。測定された回転子の静けさは、低い周波数でそうしたモデルの新たな範囲を退ける。これは、宇宙ミッションLISA Pathfinderが設けた制限を補うものだ。

2つ目の用途は重力だ。重力が2つの質量をもつれさせられるかどうかは、中心的な未解決の問いである。チームの性能指標によれば、このような回転子を2つ使えば、もつれをつくり出す速さと失う速さの比で、これまでに実証されたどの系よりもすでに2桁近く上回る。それでも目標にはまだほど遠い。著者らは、回転を読み取るためにささやかな光共振器を加えれば、必要な純度に手が届くだろうと書いている。