宇宙を終わらせる「真空崩壊理論」を原子の輪で確かめた――終末の種は量子トンネルから来た (3/4)

原子の輪で「小さな宇宙の終わり」を作る

清華大学のYu-Xin Chao氏らのチームが実験の主役に選んだのは、ルビジウムという金属元素の原子です。

ただし、普通のルビジウム原子ではありません。

普通の原子の中心には原子核があり、そのまわりに存在する電子と一緒に、全体としてはぎゅっとコンパクトにまとまっています。

ところが、レーザーで大量のエネルギーを注ぎ込むと、風船を膨らませるように外側の電子がぐんぐん遠くへ押しやられます。すると原子全体が膨れ上がり、通常の数千倍もの大きさになります。

この「ふわふわに膨らんだ状態」の原子を、「リュードベリ原子」と呼びます。

このリュードベリ原子では、外側の電子はかろうじてぶら下がっているような状態で、ほんのわずかな外力にも敏感に反応するようになります。

研究者にとっては、「思いどおりに操りやすい、実験向きの原子」となるわけです。

チームはこのリュードベリ原子を16個、輪の形に並べました。

すると原子間の力によって、隣どうしが自然と逆の量子的な状態を取り、チェス盤の白黒のような規則正しい交互パターンが生まれます。

この交互パターンには2通りの並べ方があり、通常はどちらもまったく同じエネルギーで安定しています。

チームはここにレーザーを使い、片方のパターンをわずかにエネルギーの高い「偽の底（浅い底）」に、もう片方をエネルギーの低い「本当の底」に仕立てました。

つまり、「いつか崩壊しうる偽の安定」と「その先にある本当の安定」の両方を、原子16個の輪の上に埋め込んだのです。

こうして原子の輪は、崩壊の可能性を抱えた「小さな宇宙」になりました。

では、この「小さな宇宙」で何が起きたのでしょうか？

■ 発見①：小さな宇宙は、理論が予想する形で崩れはじめた

チームはまず、偽の底に置かれたパターンに何が起きるかを観察しました。

ただ先にも述べたように、偽の底と本当の底のあいだにはエネルギーの「山」があります。

2種類ある量子的状態の一方からもう一方に変化するには、エネルギー的にタダではなく、普通なら、この山は越えられません。

しかし量子の世界には、トンネルがあります。

実験では、そのトンネルが開く瞬間が捉えられました。

リングの一部で、量子トンネル効果によって数個の原子が集団的に状態を変え、「本当の底」側のパターンを持つ小さな領域——真の真空の「泡」——が自然に生まれたのです。

そしてこの泡が崩壊の起点になり、偽の底のパターンは、時間とともに崩れ始めました。

最初は速く、やがて緩やかに。

元の規則正しい配列は、まるでじわじわと溶けるように失われていったのです。

そして崩壊の速さを詳しく測ると、偽の底と本当の底のエネルギー差が小さいほど崩壊がゆっくりになる、というきれいな関係が浮かび上がりました。

これは、約50年前に量子場理論が予想した「偽真空崩壊らしい指数関数的な崩れ方」によく似ています。

しかも、原子16個のリングでも24個のリングでも、崩壊の速さはほぼ同じ値になりました。

これは重要な手がかりです。

もし崩壊がリング全体の「足並みを揃えた一斉イベント」なら、参加する原子が多いほど足並みは揃いにくくなり、リングが大きいほど崩壊は遅くなるはずです。

でも、そうはなりませんでした。

つまりこの崩壊は、リングの片隅でほんの数個の原子がトンネルを抜けるだけで始まる——リング全体の大きさとは無関係な、「局所的な出来事」だったのです。

これはまさに、コールマンが宇宙について予想した姿と同じです。

広大な宇宙のどこか一点に、たった1つの泡が生まれるだけで、終わりは始まります。

リングの大きさが変わっても——あるいは宇宙の広さがどれほどであっても——そのことは変わらないのです。

■ 発見②：底の「作り方」で、終わりの運命が激変した

次に研究者たちは、今の状態（偽真空状態）が終わり方に変化を与えるかを調べました。

ある世界が終末を迎え別の世界になる場合、終わり方にも終わろうとする世界の特徴が出るかもしれないと考えたからです。

そこでチームは、偽の底の「作り方」を変えたら崩壊がどう変わるか、を調べました。

一つ目は、パターンを機械的に交互に並べただけの、いわば「急いで雑に組んだ偽の底」。パッと見は偽の真空に見えますが、内部の量子的な構造は粗いままです。

もう一つは、レーザーの強度をゆっくり上げながら、量子的なもつれを丁寧に作り込んだ、「時間をかけて精密に仕上げた偽の底」。

こちらは理論上の「理想的な偽真空」により忠実な状態です。

要するに、「パッと見は同じだが中身の丁寧さが違う2つの模型」を、まったく同じ条件のもとで崩壊させたのです。

結果は、劇的に異なりました。

精密に作った偽の底は、数値シミュレーションでは量子場理論に対応する予測と4桁以上にわたって見事に一致しました。

実験結果も、この精密な底のほうがより遅く、安定して崩れることを支持しています。

一方、雑に作った偽の底では、崩壊の途中で激しい「ぶれ」が混入し、理論の予測から大きく外れてしまいました。

特に偽の底と本当の底のエネルギー差が小さい領域——崩壊が微妙にゆっくり進むはずの状況で、ズレは顕著でした。

なぜこんな違いが出るのか。

精密に作った偽の底は、崩壊後のシステムから見て「ほぼ固有の状態」に近い性質を持っています。余計な振動が抑えられ、純粋な崩壊だけが静かに進みます。

一方、雑に作った偽の底は、さまざまな状態が入り混じった「ごちゃ混ぜ」です。崩壊しようとする動きと、崩壊とは無関係な振動が同時に走るため、きれいな法則が見えなくなってしまうのです。

もしこの小さな宇宙の教訓を私たちの宇宙に重ねるなら、私たちの宇宙が今どんな「底」にいるか——その状態次第で、終わりの姿は変わるのかもしれません。

底の性質が少し違うだけで、崩壊が理論通りに進むか、予想外のぶれを伴うかが決まります。

これは将来、偽真空崩壊をシミュレーションするすべてのチームにとって極めて重要な教訓です。「理想的な準安定状態をきちんと準備すれば、崩壊率の指数的な抑制という普遍的な法則が成り立つ」ことが、実験と数値解析を合わせて示されたのです。

■ 発見③：「泡」を注文通りのサイズで作り分けた

3つ目の発見もユニークです。

研究チームは、崩壊の過程で生まれる「真の真空の泡」を、狙った大きさで選んで作ることに成功しました。

なぜそんなことが可能なのでしょうか。

今回の原子リングは、なめらかに連続した場ではなく、原子が飛び飛びに並んだ「離散的な系」です。

こうした系では、エネルギーの取りうる値も飛び飛びになるため、特定の条件がぴったり揃ったとき——物理学者が「共鳴条件」と呼ぶ状態——に、ちょうどその大きさの泡だけが優先的に生まれるのです。

ざっくり言えば、「メニューから泡のサイズを選べる」ようなもの。

チームは実際に、長さ1、長さ2、長さ3の泡を、条件を変えながら選択的に生み出しました。

たとえば長さ2の共鳴条件に合わせると、そのサイズの泡が他を明らかに上回って生まれました。

1個の原子を個別に検出できるリュードベリ原子プラットフォームの精度があったからこそ、どのサイズの泡がどれだけ生まれたかを、密度としてはっきり読み取れたのです。

ここで注目すべきなのは、この「共鳴的バブル核生成」という現象が、なめらかに連続した量子場には存在しないという点です。原子が飛び飛びに並んだ離散的な系にだけ現れる、特有の現象なのです。

従来の場の理論は「なめらかに連続した場」を前提に構築されてきました。

しかし、この小さな原子の輪は、その理論の枠組みだけでは捉えきれない物理を見せてくれました。

つまりこの実験は、これまでの理論では開けなかった新しい扉を、一つ押し開いたことになります。