因果律崩壊？光が原子雲に入る前に原子雲から出ていくのを観測 (2/2)

量子の不思議を煮込む魔女の大釜「ルビジウム原子雲」

新たな研究では、ほぼ絶対零度まで冷却されたルビジウム原子の雲に対して光子が発射されました。

ルビジウム原子雲には極低温に冷却すると、原子雲全体が日常世界の常識を脱し、量子世界の常識に従うようになることが知られています。

（※この状態になったルビジウム原始雲は多数の原子によって構成されているにもかかわらず、まるで1個の巨大な原子のように振る舞い始めます：この状態をボース＝アインシュタイン凝縮体と言います）

またこれまでの研究により、この極低温ルビジウム原子雲に対してレーザーを照射することで、量子的な状態をかなり正確に制御できることが示されています。

わかりやすく言えば、人間の采配で量子世界の状態をある程度調節したわけです。

ある意味でルビジウム原子雲は量子の不思議を煮込む魔女の大釜のような役割を果たしていると言えるでしょう。

そこで研究者たちは、ルビジウム原子雲の状態をさまざまに制御しながら、原子雲の中に光を通過させる実験を繰り返しました。

量子世界の不思議が詰まった魔女の大釜の火力を調節するように、ルビジウム原子雲の量子的な性質を変化させ、通過する光に量子世界の不思議が発生するのを待ったわけです。

するとある条件において、ルビジウム原子雲で光子の遅延がマイナスになる状態が確認され、光子がルビジウム原子雲に入る前に、出てきてしまっている観測結果が得られました。

研究者たちは、1つ目の例を発見すると、さらに時間をかけて別の設定も試し現象のさらなる例をみつけだしました。

研究者たちは、この状態にあるときルビジウム原子雲における光の遅延はゼロを超えてマイナスになっていると述べています。

遅延がプラスの場合、原子雲を通る光は減速し、遅延がゼロの場合は原子雲に入っても光は全く減速しません。

ですが遅延がマイナスになると、光子にある意味で負の時間が流れ、光が入るよりも先に出ていくという観測結果が得られます。

観測されたデータでは一見すると、因果律に反しているかのような部分がみられます。

しかし今回の負の時間、あるいは群遅延と呼ばれる現象は、量子現象によって引き起こされたものであり、タイムトラベル現象によって引き起こされたものではありません。

また観測した光には因果を結ぶ情報が含まれていないため、因果律も保たれています。

量子現象の中にはタイムトラベルをしたかのように振る舞うものも存在しますが、実際に因果律を脅かすような事例はごく限られており、大方の量子現象は因果律に従っています。

（※因果律を打ち破る数少ない研究としては去年の12月に東京大学から発表された量子電池の充電方法があたります）

東京大学が「因果を打ち破って充電」する量子電池を発表

一方、量子現象という観点からは興味深い見方もあります。

この現象を量子力学の観点から考えた場合、光子が原子雲を通過する方法の重ね合わせが作用していると考えられます。

量子力学では1つの光子が原子雲を通り抜けるときに複数の状態が同時に存在しており、原子雲の中の光子は遅延を起こしてしまう状態、また全く遅延を起こさない状態、さらには遅延がマイナスになってしまう状態が重なって存在していると考えられています。

このとき、特定の条件を採用することで、この重ね合わせの中から「遅延がマイナス」になっている光子を観測することができると考えられます。

あえて多世界解釈的な見方をとれば、遅延が起きた世界線、遅延がゼロだった世界線、遅延がマイナスだった世界線の中で、研究者たちの観測は遅延がマイナスだった世界線だったと言えるでしょう。

一方研究者たちは「私たちの観測は、マイナスの遅延が単なる偶然によるものではなく、この世界において物理的に意味のある量であることを示している」と述べています。

量子力学の実験結果にはさまざまな解釈が存在しており、主流・非主流の区別があっても、どれが真実であるかは断言できません。

また多世界解釈など非主流派の解釈を研究することで、思いもよらない知見が得られることもあります。

もしかしたら未来の物理学では、より優れた解釈が出現して、量子世界のモヤモヤを上手く解決してくれるかもしれませんね。