実験の簡略化されたスキーム
英国の物理学者は、量子力学と特殊相対性理論の古典的な効果を組み合わせた実験を設定しました。これを行うために、科学者は、Hong-U-Mandela干渉計を回転プラットフォームに置き、この効果で測定された最小確率がサニャック効果に従ってシフトすることを示しました。さらに、研究者たちは、量子力学と一般相対性理論を組み合わせた同様の実験のスキームを提案しました。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。作品のプレプリントは、arXiv.orgのWebサイトに掲載されています。
20世紀の初めに、古典力学はついにそれ自体の信用を失墜させ、それは現代物理学の2つの最も重要な理論である量子力学（QM）と一般相対性理論（GR）に置き換えられました。これらの理論は両方とも、弱い重力場、小さな速度、大きなスケールの極限の場合に古典力学を再現しますが、この限界から遠く離れたさまざまな方法でそれを拡張します。一方では、量子力学とその後継である場の量子論は、平坦な時空を背景にしたあらゆる種類の量子効果を説明しています。一方、一般相対性理論は重力と時空の幾何学を結びつけますが、量子効果を無視します。
これらの理論の論理的な続きは、万物の理論であり、普遍的な言語で量子効果と重力効果を記述し、限られた場合にはQMとGRになります。残念ながら、そのような理論はまだ開発されていません。さらに、実験者はすべての理論のヒントを見ていません-量子効果と重力効果が等しく強いシステムを作成することは非常に困難です。もちろん、そのようなシステムは理論的には存在します-最も有名な例はブラックホールと若い宇宙であり、時空の曲率半径はプランク長に匹敵します。しかし、ほとんどの場合、それらは依然として、行動における統一理論のかすかなヒントを識別しようとする理論家にとっての娯楽として機能します。ブラックホールやビッグバンの特異点を実験室で再現することは不可能です。
これまで、科学者は量子力学と特殊相対性理論（一般相対性理論の特殊なケース）を組み合わせた2つの実際の実験のみを設定しました。最初の実験では、物理学者は、弱い勾配の重力場に置かれた干渉中性子の量子力学的位相シフトを測定しました。 2番目の実験では、研究者は均一に加速するシステムでの光子の干渉を観察しました。より微妙な実験では、原則として弱い重力を正確に測定する必要があるため、現在の技術開発レベルでは実施できません。
マイルズ・パジェットが率いる物理学者のグループが別の実験を考え出しました。その結果は、量子力学と特殊相対性理論の両方の効果に影響されます。新しい実験は、1987年に最初に実行された、光の量子的性質をテストするための古典的なHong-U-Mandela効果に基づいています。この実験では、2つの光子がビームスプリッターに向けられ、各光子は同じ確率で通過または反射されます。光子が古典的な粒子である場合、両方が同時に同じ出力に当たる確率は1/2です。光子がボソンである場合、それらは常にビームスプリッターを一緒に残します。
確かに、光子が互いに区別できないようにするには、光源から検出器までの光子の経路に同じ時間がかかる必要があります。したがって、実験は通常、光子間に時間遅延を追加し、2つの異なる検出器による光子の同時検出の確率を測定することによって変更されます。光子が量子統計に従う場合、この依存性は確率がゼロの特徴的な最小値になります（光子は常に同じ検出器に当たります）。
Padgettのグループは、上記の定式化でHong-U-Mandela実験を繰り返し、セットアップを回転プラットフォームに配置し、35ラウンドターンで配置された長さ100メートルの光ファイバーで光子源をビームスプリッターに接続しました。したがって、物理学者は、古典的な量子力学的実験を、特殊相対性理論の古典的な実験であるサニャック効果と組み合わせました。サニャック効果は、リング干渉計に沿って反対方向に走る光子間の位相差を予測します。特に、建設された施設の場合、SRTは1ヘルツあたり約170度のシフトを予測します。
回転するHong-U-Mandela干渉計を使用した実験装置の概略図
サニャック効果をテストするための実験装置の概略図
予想通り、干渉計の回転によって引き起こされる位相シフトのために、Hong-U-Mandela効果の最小確率も「クレープ」します。平均して、シフトは1ヘルツあたり約200±12ナノメートルでした。光ファイバガラスの屈折率がn≈1.5であり、実験で使用したレーザーの波長がλ≈652ナノメートルであることを考慮すると、このシフトはSRTによって予測されたシフトと非常によく一致しています。
光子の光路長の違いに応じた、反対側の検出器による光子の同時検出の確率
プラットフォームの回転速度に応じて、前の図からの分布最小値のシフト
記事の著者は、彼らの実験がQMとSTRの効果を同時に捉えていることを強調していますが、結果はかなり些細なものです。さらに、科学者たちは、一般相対性理論の影響を考慮に入れると、より複雑なケースに簡単に一般化できることに注意しています。このために、物理学者は、回転するプラットフォームを、地球の周りに光子を送る3つの衛星に置き換えることを提案しています。この場合、位相シフトは地球の中心までの距離とその回転の角運動量によって決定され、その値は回転プラットフォームでの実験で測定されたシフトとは1桁だけ異なります。したがって、このような実験を今すぐ行うことができます。
今年の5月、中国の物理学者は、朱元璋効果を使用して、独立した発生源から放出される熱光子の量子的性質を証明しました。科学者たちは太陽と人工量子ドットを熱源として使用しました。しかし、太陽のスペクトルが複雑なため、科学者は真のエンタングルメントを達成できませんでした。実験では、光子のペアが約p = 0、796の確率でビームスプリッターを離れました。この値は1に達しません。区別できない光子の場合と同じですが、古典的な確率を大幅に上回っています（p = 0、5）。
