HomerosによればOdysseusは、トロイから故郷のIthacaまで、あらゆる困難を乗り越えて壮大な旅を続けた。彼は多くの土地を訪れたが、その大半をCalypsoという妖精の島で過ごした。
妻のPenelopeがその特別な時期について尋ねたとしたら、Odysseusはこう答えたかもしれない。「あの時間は何でもなかった。いや、むしろ無よりも少なかった。Calypsoのもとで過ごしたのはマイナス5年だ。でなければ、たった10年で帰り着けるはずがない。信じられないなら、彼女に聞いてみればいい。」
量子粒子もOdysseus同様に捉えどころがないことが、『Physical Review Letters』に掲載された実験によって示された。量子粒子は、他の粒子と過ごした時間が負の量であることを示唆するような到達時刻を持つだけでなく、その他の粒子に問い合わせると、その話を裏付けるのである。
原子の中に「滞在」する光子
本実験では、光の量子粒子である光子と、ルビジウム原子の雲をまっすぐ通り抜けるという難業を用いた。
これらの原子は光子と「共鳴」する性質を持ち、光子のエネルギーが原子励起として一時的に原子へ移されることを可能にしている。これにより光子は、放出される前にある時間だけ原子雲の中に「滞在」することができる。
この共鳴が有効に機能するには、光子がルビジウム原子を励起状態に引き上げるのに必要なエネルギー量と一致する、明確なエネルギーを持っていなければならない。
しかしHeisenbergの有名な不確定性原理の一形態により、光子のエネルギーが明確に定まっている場合、そのタイミングは不確定になる。すなわち、光子が占有する光パルスは長い持続時間を持たなければならない。そのため、光子が雲に入る正確なタイミングを知ることはできないが、平均的な入射時刻は知ることができる。
このような光子を雲に向けて発射すると、最も起こりやすい結果は、そのエネルギーが原子に移された後、ランダムな方向に光子として再放出されることである。その場合、光子は散乱され、Ithacaへ到達することなく終わる。
光子の到達時刻
しかし、光子がまっすぐ通り抜けることができた場合、奇妙なことが起きる。光子が雲に入る平均時刻をもとに、光子が通常通り光速で進むと仮定した場合の、雲の反対側への平均到達予測時刻を計算できる。
実際に測定してみると、光子はその予測をはるかに上回る早さで到達する。実際のところ、あまりにも早く到達するため、雲の内部で負の時間を過ごしたように見える——すなわち、平均的には入射よりも前に出射しているように見えるのである。
この現象は数十年前から知られており、1993年の実験でも観測されている。しかし物理学者の多くは、この負の時間を真剣に受け止めないことにしていた。
その理由は、長い持続時間を持つパルスのごく前方部分だけが原子雲をまっすぐ通過し、残りは散乱されると考えれば説明できるからである。これにより、散乱されなかった光子が素朴に期待されるよりも早く到達することになる。
原子に問い合わせる
しかし、1993年の論文の著者の一人であるAephraim Steinbergは、負の時間を単なる人工的な産物として退けることに簡単には同意しなかった。彼はUniversity of Torontoの自身の研究室で、ルビジウム原子の雲に問い合わせることで、光子が原子の中に励起状態として滞在していた時間を調べることができるかどうかを明らかにしようとした。決定的な結果が得られなかった初期実験の後、彼は量子理論家である筆者に、何が期待されるかを理論的に導き出す協力を求めた。
原子に問い合わせるとは、実際には、光子が雲を通過している間、光子のエネルギーが現在そこに「滞在」しているかどうかを探るために、原子に対して継続的に測定を行うことを意味する。しかしここには微妙な問題がある。量子力学における測定は、測定対象となる系を必ず乱してしまうのである。
原子の中に光子が滞在しているかどうかを各瞬間に精密に測定しようとすれば、原子と光子の相互作用を妨げることになる。これはまるで、Calypsoを注意深く監視するだけで彼女がOdysseusに近づけなくなる（あるいはその逆）ようなものである。これはよく知られた量子ゼノン効果であり、本来研究したい現象そのものを破壊してしまう。
実験の詳細
解決策は、代わりに非常に不精密な（しかし非常に正確に較正された）測定を行うことである。これが、乱れを無視できる程度に抑えるための代償である。具体的には、単一光子パルスとは無関係な弱いレーザービームを原子雲に照射し、原子が励起状態にあるかどうかを調べるために、そのビームの光の位相の微小な変化を測定した。
実験を1回行うだけでは、光子が原子の中に滞在していたかどうかは非常に粗い示唆しか得られないが、数百万回の実行を平均することで、正確な滞在時間が得られる。
驚くべきことに、光子が雲をまっすぐ通り抜けた場合の弱測定による滞在時間は、光子の平均到達時刻から示唆される負の時間と完全に一致した。今回の研究が行われる以前は、まったく異なる方法で測定されたこれら2つの時間が一致するとは、誰も予測していなかった。
重要なのは、弱測定された滞在時間の負の値は、到達時刻から推定された時間とは異なり、光子パルスの前方部分だけが通過するというイメージでは説明できないという点である。
では、これはいったい何を意味するのか。タイムマシンがすぐそこにあるということだろうか。
残念ながら、そうではない。本実験は標準的な物理学によって完全に説明される。
しかしこの実験は、負の滞在時間が単なる人工的産物ではないことを示している。どれほど逆説的に見えたとしても、光子が通過する原子雲に対して直接測定可能な影響を及ぼすのである。そして、量子研究というオデュッセイアの旅において、まだ発見されるべき土地があることを改めて思い起こさせてくれる。
本記事は、グリフィス大学 量子ダイナミクスセンター センター長Howard Wiseman氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Physicists have measured ‘negative time’ in the lab」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。