2万4000個の原子で構築されたミニ宇宙が証明、「時間」に時計は不要だった

今週『Physical Review Research』に発表されたこの実験は、何十年もの間、物理学の基盤を悩ませてきた難問に挑むものだ。量子重力理論において、時間は現実の組み込み機能としては現れない。しかし、私たちは過去から未来へと向かう明確な矢を経験している。ジョヴァンニ・バロンティーニ教授率いるバーミンガム大学のチームは、時間が純粋に「変化」、具体的には粒子がシステム内に拡散する様子から生じ得るのかどうかを検証することを目指した。これは「エントロピー時間」として知られる概念である。超低温原子の千サイクルにわたるダンスの中に刻まれた彼らの答えは、慎重ながらも「イエス」であった。

バーミンガムの研究所で24,000原子のミニ宇宙を構築

バロンティーニのグループは、ルビジウム原子を光トラップに閉じ込め、量子力学的挙動が支配的になるまで冷却した。2本のレーザー光によって雲の中に薄い壁を作り出し、研究者が直接観測可能な「明るい」領域と、視界から遮蔽された「暗い」セクターを形成した。明るい側は周期的に膨張と収縮を繰り返し、膨張を反転させる宇宙の周期的な宇宙論を模倣した。システム全体が外部環境から隔離されていたため、一連の出来事のタイムラインを再構築する唯一の方法は、内部の原子分布から推論することだった。

研究者らが24,000個の原子を選んだのには意図がある。少なすぎればエントロピー変化からの統計的信号がノイズに埋もれてしまい、多すぎれば計算負荷が手に負えなくなるからだ。この規模であれば、原子雲は熱力学的な不可逆性を示すのに十分大きく、かつ古典コンピュータでシミュレーション可能なほど小さな宇宙として振る舞う。各サイクルは約0.1秒続き、チームは何百ものサイクルを追跡することで、定義したエントロピー時間が単に漂うのではなく、明るい領域が収縮する間であっても、確実に一方向へと進行することを立証した。

エントロピー時間：24,000原子のミニ宇宙がいかにして自前の時計を生み出すか

エントロピー時間の背後にある考え方は、驚くほど単純である。何も変化しなければ、時間も経過しない。研究者らは、時間の経過をシステムの「シャノンエントロピー」の変化、すなわち原子がいかに拡散しているかを示す尺度と結びつけた。明るい領域と暗い領域の間で粒子が交換されるとエントロピーが変化し、彼らの定式化に従えば、時間は進む。原子の分布が定常状態に落ち着けば、たとえ基底状態の量子波動関数が従来の時間軸で動的に見えるような変化を続けていたとしても、時間は停止する。

バロンティーニのチームは、このエントロピー時間が、現実の宇宙であればビッグクランチに相当する収縮期においてさえ、常に未来を指し示していることを観測した。基底の物理法則は時間対称的であるにもかかわらず、エントロピー時間は決して逆転しなかった。「宇宙に関するいくつかの理論、特に量子重力では、時間は組み込み機能としては現れません」とバロンティーニは言う。「しかし日常生活において、時間は過去から未来へと流れます。ほとんどの基礎物理法則が前後どちらでも同じように働くのに、なぜそうなるのでしょうか？」この実験は、その答えを示唆している。時の矢は基本的な時計からではなく、エントロピーの増大のみから立ち現れるのだ。

さらに、エントロピー時間のペースは、エントロピー変化の速度に応じて加速または減速し得る。原子が明るい領域から暗い領域へと流れ込む急速な膨張時には、エントロピー時間の刻みは速くなる。緩やかな収縮時には、それは遅くなる。これは単なる哲学的なこじつけではない。チームは量子力学の中心方程式であるシュレーディンガー方程式を、エントロピー時間を進化パラメータとして書き直した。その結果、原子雲の確率分布の進化は、実験室のストップウォッチではなく無秩序さによって定義された時間パラメータを用いただけで、標準的な量子予測と一致することがわかった。

24,000原子のミニ宇宙が量子重力にもたらす意味

この研究は、これまで主に黒板上の計算に限定されていたアイデアに対して、貴重な実験的窓口を開くものである。一般相対性理論は時間を動的として扱う一方、量子力学は固定された背景時計を要求するため、量子重力理論はしばしば時間の扱いに苦慮する。もし時間が制御された実験環境下でエントロピーから生じ得るならば、それは初期宇宙における時の矢が原始的な時計ではなく、ビッグバン後の急激なエントロピー増大から生じたとするモデルの信頼性を高めることになる。

バロンティーニの装置はエントロピー時間を探求する初の試みではないが、繰り返しサイクルを監視可能な量子多体系においてそれを実証した点で、先駆的なものの一つである。過去の提案は、抽象的な思考実験や再現不可能な宇宙論的観測に頼っていた。今回の実験では、チームはシステムをリセットし、常に前を向いて「矢」が再出現する様子を観察できた。「これは量子重力における時間の性質に新たな洞察を与えるものです」とバロンティーニは語る。「従来の時間と同じくらい効果的にダイナミクスを記述するために利用できる可能性があります」

このプラットフォームはまた、めったに交流することのない2つのコミュニティ、すなわち冷原子実験物理学者と量子重力理論学者の架け橋となる。最高の原子時計を駆動する光トラップ技術が、今や時間の本質そのものを探るために再利用される可能性がある。これはより優れた時計を作ることではなく、そもそも時計が必要かどうかを問うことなのである。

黒板から実験台へ：検証不能なことの検証

何十年もの間、時間の出現に関する疑問は理論物理学の領域に留まっていた。バーミンガムの実験は、少なくともこれらの疑問の一部が今や実験的に検証可能であることを示している。レーザーバリアや原子数を調整することで、加速膨張から熱的死のような最終状態まで、さまざまな宇宙論的シナリオをシミュレートできるかもしれない。バロンティーニは、このプラットフォームが将来的にはブラックホールの類似体調査や、量子効果と重力効果が共存する初期宇宙の状況をシミュレートするために使われる可能性があると示唆した。

もちろん、24,000個の原子からなるガスは、現実の宇宙とは似ても似つかない。システムは非相対論的であり、重力は役割を果たしていない。ここで定義されたエントロピー時間は有効パラメータであり、基礎場（fundamental field）ではない。批判者は、この実験は単に時間の操作的定義を置き換えただけで、時間が真に創発的であることを証明してはいないと主張するかもしれない。しかし、バーミンガムのチームは議論を解決したとは一度も主張していない。彼らは、エントロピーを時計として受け入れれば量子力学は整合性を保ち、時の矢は持続することを実証したのである。これこそが、エントロピー時間が物理的に有意義であるための必要条件であり、十分条件ではない。

マスター時計のない実験宇宙

より広範な示唆は、時間は私たちが想定するほど根本的なものではないかもしれないということだ。日常生活において、私たちは出来事を同期させるために、セシウム原子泉時計、水晶発振器、地球の自転といった時計に頼っている。しかし、最も深いレベルでは、宇宙には内蔵のメトロノームは存在しないのかもしれない。流れる現在という体験は、無秩序さの絶え間ない増大から生じるマクロな幻想である可能性がある。バロンティーニのチャンバー内で原子が明るい領域と暗い領域の間を行き来していたとき、それらは時間を測定していたのではなく、時間を生成していたのである。

この実験は、ヨーロッパの基礎物理学にとって興味深い時期に行われた。CERNの将来の円形衝突型加速器（FCC）は数十億ユーロの予算を奪い合い、国立研究所は超低温原子プラットフォームの維持に苦労している。英国の通常の研究助成金で資金を調達したバロンティーニの研究は、巨大加速器実験のわずかな費用で行われたが、それと同等に深い問いに触れている。最も深遠な難問が、時には光学テーブルの上に収まるということを思い出させる。

チームは今後、量子力学の完全な奇妙さの下でエントロピー時間が維持されるかどうかを確かめるため、量子もつれを含むより複雑なシステムを探求する予定である。もしそうであれば、普遍的な時計という概念は物理法則からゆっくりと退き、おそらく原子の不可逆的な拡散以外の何物でもないものに取って代わられるかもしれない。

今のところ、バーミンガムのトラップにある24,000個の原子は、静かに注目すべきことを成し遂げた。宇宙は変化のみで動き得ることを示したのだ。時計は不要である。しかし、このエントロピー時間が、すべての物理学の教科書で使われている従来の時間に取って代われるかどうかは、まだ未解決の疑問だ。原子は自らの証拠を提示した。残るは理論家たちの仕事であり、いつものように、次の助成金採択までの時間次第である。

出典

• Physical Review Research（24,000原子の量子システムにおけるエントロピー時間に関する研究論文）
• バーミンガム大学プレスリリース
• EurekAlertマルチメディア（超低温ルビジウムトラップの画像）