【科学】正確な時計は周囲の時計を狂わせる…量子力学と相対性理論によって解明＝ウィーン大学

経理の智子 ★

正確な時計に影響を受け、周囲の時計が不正確になることを解明 - ウィーン大

ウィーン大学とオーストリア科学アカデミーは、量子力学の対象となるミクロの世界において、ある時計の時刻を正確にすることによって、周囲の時計がその影響を受け、不正確になる効果があることを解明した。これは量子力学と一般相対性理論から導かれる根本的な効果であり、時間測定の物理的限界を示すものであるという。研究論文は、「米国科学アカデミー紀要（PNAS）」に掲載された。

日常的な世界では、時計によって周囲の時空が変化したり、ある時計が近くの時計に影響を及ぼしたりするといったことはないと考えられている。また、複数の時計を使えば、近接している複数の場所で、いくらでも正確に時間を測定することができると考えられる。

研究チームは今回、このような常識が量子力学的な世界では成り立たないことを、量子力学と一般相対性理論を組み合わせることによって示した。

量子力学の世界では、粒子の位置と運動量のような互いに関係のある物理量を同時に測定するとき、その測定精度には「ハイゼンベルグの不確定性原理」と呼ばれる限界があることが知られている。粒子の位置を正確に決定しようとすると、その粒子の運動量は確定できなくなる。逆に、粒子の運動量を確定しようとすると、その粒子の位置は確定できなくなってしまう。

不確定性原理は、エネルギーと時間を同時に測定する場合にも成り立つ。このことは、アインシュタインの一般相対性理論と組み合わせて考えるときに重要な意味をもつ、と研究チームは指摘する。

一般相対性理論によれば、エネルギー(E)と質量(m)のあいだにはE＝mc2という関係が成り立ち(cは光速)、したがって質量とエネルギーは互いに変換可能である。そして物体の質量またはエネルギーの存在は、その周囲の時間と空間を歪ませる効果をもっている。より大きなエネルギーをもった物体の周囲では、エネルギーの小さな物体の周囲と比べて、時間の流れが遅くなる。この効果は「重力による時間の遅れ」と呼ばれる。

したがって、量子力学の不確定性原理と、一般相対性理論における時間遅延効果を組み合わせると、次のことが成り立つ。まず、ある時計の時刻を正確に測定すればするほど、その時計のもつエネルギーの不確定性は増大する。そして、時計のエネルギーは周囲の時間を遅らせる効果をもつが、エネルギーの不確定性が増大すればするほど、時間の遅れ度合い自体の不確定性もまた増大してしまう。

このことは、隣り合う時計同士は必然的に相互干渉し、その結果「時間の流れがぼやける」効果が引き起こされることを意味している。時間測定におけるこうした制約は、時計の仕組みやその材料などに左右されない普遍的なものである。「今回の研究は、量子力学と一般相対性理論の両方を考慮に入れる場合、時間の性質に関する従来の考え方を再検討する必要があることを示唆している」と研究チームはコメントしている。

http://news.mynavi.jp/news/2017/03/22/171/

この図のように、一般相対性理論では、空間のどのポイントでも他から影響を受けずに正確に時刻を測れる理想的な時計を考えることができる。しかし、量子力学も考慮に入れた場合、隣り合う時計同士は互いに独立ではなく、干渉しあって時間が不正確になる(出所：ウィーン大学)
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