宇宙の極低温環境で「気体原子の小さな気泡」の生成に成功、量子物理学の研究は新たな領域へ

2022年5月27日 8時0分

白い小型冷蔵庫のようなものが研究者たちによって国際宇宙ステーション（ISS）に向けて打ち上げられたのは、2018年3月のことだった。この重い箱の中身は、約1億ドル（約127億円）かけてつくられた「Cold Atom Laboratory（CAL）」と呼ばれる極低温実験装置である。無重力の宇宙空間で、さまざまな原子物理実験を氷点下で実施できる装置だ。

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こうした特殊な条件下で、いま科学者たちは極低温の気体原子の小さな気泡をつくり出し、量子物理学の未知の領域に踏み込もうとしている。宇宙の最低温度である絶対零度をわずか100万分の1℃のみ上回る微小重力下に限って実現可能であり、地上ではなし遂げることができなかった成果だ。

粒子としても波動としてもふるまう原子

このマイルストーンを達成した物理学者のチームは、全員がリモートで、つまり地上から遠隔で作業していた。

科学誌『Nature』に5月18日に発表した新しい研究結果では、密閉された真空容器にレーザーを照射して気体原子を冷却する実験装置を用いて、超低温の気泡をつくったことが明らかにされている。さらに磁場と電波を利用することで、気体原子を中空の卵形の塊にした。この実験によって量子領域の理解が深まるうえに、物理学のほかの分野に応用することもできる。

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「重力をオフにしたときに原子がこれらの新しい形状になり、新しい挙動を示す様子を見るのはわくわくします」と、今回の研究論文の著者で、カリフォルニア州パサデナにあるNASAのジェット推進研究所（JPL）が運営するCALの共同研究メンバーであるデイヴィッド・アヴェリンは語る。

超低温の気体原子 (今回はルビジウム) は室温における通常の動きとは異なり、容器内をビリヤードのボールのように動き回る。気体が冷えるにつれて原子の動きはどんどん遅くなるが、遅くなっても蒸気のように液体や固体に変化することはない。

さらに絶対零度に近い温度まで冷やされると、気体同士が凝集し始め、気体粒子に関連する波長は長くなり、重なり始める。このような極低温では、原子は奇妙な動きをし始める。合体して量子的な性質をもつ物質になり、粒子としても波動としてもふるまうのだ。

ビッグバンの理解にもつながるか

その点において、これらの原子は基本的に量子パラドックスであり、インドとドイツの物理学者にちなんで100年前から「ボース＝アインシュタイン凝縮」と呼ばれる物質の新しい状態のようである（厳密に言えば、超低温の原子をボース＝アインシュタイン凝縮とみなすにはさらに冷却する必要があるが、その手前まで来ているようだ）。いずれにしても、通常は量子現象を観察するには強力な顕微鏡が必要だが、これらの気泡は髪の毛の太さよりもはるかに大きなサイズに膨らませることができる。

「わたしたちは、通常は原子のスケールで発生するような物理効果をミリメートル規模の大きさの物体で発生させ、量子力学と奇妙な物理学の挙動を肉眼で見えるようにしようとしているのです」と、メイン州にあるベイツ大学の原子物理学者で今回の研究論文の主執筆者であるネイサン・ランドブラッドは語る。

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この研究は量子物理学の領域を超えて応用できる可能性がある。NASAが関心を寄せる理由のひとつは、こうした超低温原子の研究が最終的に、より精密なジャイロスコープや加速度計の開発に役立つ可能性があるからだと、アヴェリンは説明する。また、超低温原子の気泡を膨らませることで、ビッグバンから数秒後の誕生したばかりの宇宙の超高速膨張の様子を知ることができるかもしれない。

この物理学者たちは何十年にもわたって地球上の超低温原子を研究してきたが、地球の重力は自然界で最も弱い力であるにもかかわらず、原子を引っ張り続けている。地上では科学者が原子を丸い塊や気泡にしようとしてもゆがんでしまい、小さなコンタクトレンズのような凹んだ形になってしまうのだ。

それでも研究者たちは、原子を針状、リング状、パンケーキ状など、さまざまな形状にしようとした（例えば炭素の超薄層はグラフェンにできるので、原子の幾何学的配置が重要になる可能性がある）。だが、超低温ガス原子の気泡を球形や楕円形に保ち、平らにならないようにするには、重力を排除する必要がある。そこでISSの出番だったわけだ。

原子物理学者のための“宇宙望遠鏡”

ランドブラッドとアヴェリンの画期的な超低温実験は、CALのミッションのひとつにすぎない。大学の研究室とは異なり、CALには6つのチームがさまざまな実験を展開するためのハードウェアがある。いわば、料理人のグループが自分たちの料理をつくるために食材や道具を利用するキッチンのようなものなのだ。

このため、いったん宇宙飛行士がCALを設置しさえすれば、ISSのクルーによる監視や支援を必要とすることなく、遠隔で作業することが可能になった（2020年にNASAの宇宙飛行士クリスティーナ・コッホとジェシカ・メイアが手がけたように修理や改良もできる）。

地上での原子物理学研究とは異なり、ランドブラッドやアヴェリンのような科学者のチームは、遠く離れた場所から実験を提案して実施しなければならない。「原子物理学者のためのハッブル宇宙望遠鏡のようなものです」と、ランドブラッドは語る。

研究者たちはCALをJPLから遠隔操作し、コマンドを送信し、受け取ったデータを実験の開発にかかわった科学者たちに配布している。CALを操作するのは、通常は宇宙飛行士が眠っている時間帯だ。その理由のひとつは、CALがISSのエクササイズバイクの近くに設置されているので、装置が多少なりとも揺れる可能性があるからである。

同様の実験は、2018年にドイツの科学者グループが宇宙に短時間滞在したロケットで試みたことがある。だが、軌道上での実施は今回が初めてだ。

研究者たちは、ドイツ北部のブレーメン大学にある400フィート（約122m）の落下塔にある真空チャンバーでも微小重力のシミュレーションも実施していた。ところが、この無重力に近い状態はほんの数秒しか続かず、このような短時間の実験は1日に数回しかできない。1分間に何度も実験できるCALとは対照的である。

「低コストで本格的な科学実験ができるのは素晴らしいことです。宇宙では生物学的な実験が多く実施されていますが、物理科学の観点から見てCALは素晴らしいと思います」と、英国のサセックス大学の量子物理学者のバリー・ギャラウェイは指摘する。ギャラウェイはボース＝アインシュタイン凝縮の理論的研究を主導していたが、CALには関与していない（CALは決して“安い”とは言えないが、数十億ドルもする粒子加速器に比べれば安いものである）。

「わたしにとっては、このことが宇宙への興味を再燃させました」と、ギャラウェイは語る。「この実験でわたしが関心をもっているのは、いかに改善していけるかということです。そうした手助けをしたいと考えています」

（WIRED US/Edit by Daisuke Takimoto）

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