「何もない」の重さはどれくらいですか?

Jul 27, 2023

アルキメデスの実験は、宇宙の大きなパズルを解くために、何もない空間の重さを量る

初めてここに車で来るときは、何かを感じます」と、イタリアのサルデーニャ島にある鉱山のトンネルに私たちの車が衝突したとき、エンリコ・カローニは言いました。 地上の猛暑の後は、コントラストが鮮明です。 数秒以内に、湿った冷たい空気が車内に入り込み、深部へと進みます。 「あなたが閉所恐怖症でないことを祈ります。」 ほぼ真っ暗な中、地下 110 メートルの深さまで続くこの狭いトンネルは、誰でも楽しめるわけではありません。 しかし、そこは、私たちがこれから見ようとしているプロジェクト、つまり「無」の重さを量ることを目的とするその中心原理を最初に説明した古代ギリシャの科学者にちなんで名付けられたアルキメデスの実験にとって理想的な場所です。

車が止まり、運転手のルカ・ロドが降りて全員にヘルメットと懐中電灯を装備させた。 旅の最後の部分は徒歩で進み、トンネルの奥深くまで進みます。 私たちはドアを通過して、地震計が周囲の地球の微妙な動きを記録する部屋に行きます。 最後に、トンネルの左側に洞窟が現れ、そこにスポットライトが当てられ、私たちは立ち止まりました。 イタリア国立核物理研究所の物理学者カローニ氏は、「ここがそれが起こるべき場所だ」と説明する。

地質学的には、サルデーニャはヨーロッパで最も静かな場所の 1 つです。 この島は、隣のコルシカ島とともに、地中海で最も安定した地域の一つである地殻の特に安全なブロックに位置しており、有史以来地震の発生はほとんどなく、これまでに地震が発生したのは（沖合の）地震が一度だけである。マグニチュード 5 の比較的穏やかなカテゴリーです。アルキメデスの実験では外部環境から極端に隔離する必要があるため、物理学者は地質学的に平穏なこの場所を選びました。 これには、物理​​学史上最悪の理論的予測、つまり宇宙を満たす空の空間のエネルギー量を調査するために設計された高精度の実験装置が含まれます。

研究者は 2 つの方法で真空のエネルギーを計算できます。 宇宙論的な観点からは、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論を使用して、宇宙が加速膨張しているという事実を説明するためにどのくらいのエネルギーが必要かを計算することができます。 また、量子場の理論を使用して、ボトムアップで作業し、「空の」空間で一時的に発生して消滅するすべての「仮想粒子」の質量に基づいて値を予測することもできます (これについては後で詳しく説明します)。 これら 2 つの方法では、120 桁以上異なる数値 (1 の後に 120 個のゼロが続く) が生成されます。 これは恥ずかしいほど不条理な矛盾であり、宇宙の膨張、さらには宇宙の最終的な運命についての理解に重要な影響を及ぼします。 どこに誤りがあるのか​​を解明するために、科学者たちは、高さ 2 メートルの円筒形の真空チャンバーとその他の機器をサルデーニャの古い鉱山に運び込み、そこで独自に真空を作り出し、中にある何もないものの重さを量ることを試みることにしました。

真空は完全に空ではありません。 これは、ハイゼンベルクの不確定性原理と呼ばれる量子物理学の考え方によるものです。 この原理は、粒子の位置と速度を同時に正確に決定することはできないことを示しています。一方の値をより正確に知るほど、もう一方の値をより正確に知ることができなくなります。 この原則は、エネルギーや時間などの他の測定にも当てはまります。 その影響は重大です。 これは、自然が非常に短い時間の間、エネルギーを「借りる」ことができることを意味します。 真空変動として知られるこうしたエネルギーの変化は、仮想粒子の形をとることが多く、どこからともなく現れてすぐに再び消えてしまうこともあります。

真空の変動にはいくつかのルールが適用されます。 たとえば、単一の電荷が、何も存在しなかった場所に突然現れることはできません (これは電荷保存則に違反します)。 これは、光子のような電気的に中性の粒子だけが真空から飛び出すことができることを意味します。 荷電粒子は、反粒子の一致と対になって出現する必要があります。 たとえば、電子は、正に帯電した陽電子と一緒に現れることがあります。 2 つの電荷は互いに打ち消し合い、合計電荷はゼロになります。 その結果、真空は周囲を飛び回る短命の粒子の流れで満たされ続けることになります。