世界最小、0.0076gの物体同士に働く重力の強さの測定に成功！

 

みなさんこんにちは！　サイエンスライターな妖精の時々VTuber彩恵りりだよ！

今回のお話は、たった0.0076gしかない物体同士に働く重力の強さの測定に成功したというお話だよ！　お互いに0.0076gしかないシリコンウエハー同士を、最小距離0.654mmまで近づけて重力の強さを測定したもので、これはこの種の実験の中では世界最小の記録となるよ！
結果として、0.654mmの距離にある0.0076gのシリコンウエハー同士に働く重力の大きさは471アトニュートン=0.000000000000000471N (471±23×10^-18N) であると分かったのよ！　これほど小さいにも関わらず、万有引力定数も不確かさ5.3%で数値化できるなど、かなり精密に測れているのよ。
今回の実験は、最小記録の更新という点でもすごいんだけど、さらに小さな物体同士で働く重力の測定をするための1つのステップという位置づけでもあるのよ。そして、そもそもなんでこんな実験を行ったのか、この点についても解説していくね。

 

重力の法則はどこまで成り立つ？

 

現代物理学は「一般相対性理論」と「標準模型」の2つの柱で成り立っていると言われているのよ。一般相対性理論は宇宙くらいのマクロスケールの世界を、標準模型は原子くらいのマクロスケールの世界を描き出す理論であり、実験による検証を100年以上耐え抜いてきたのよね。

 

しかし、これらの理論はお互いとは反対の世界を描くのが苦手だという弱点があるのよ。一般相対性理論はミクロスケールの世界を、標準模型はマクロスケールの世界をそれぞれ描き出すのが苦手であり、無理に計算しようとすると破綻することもしばしばあるのよね。

 

ってなると、恐らくは一般相対性理論も標準模型も、この宇宙を完璧に描くことはできない未完成な理論ということになると思うのよね。実際のところ「一般相対性理論と標準模型を統合した1つの新しい理論にできれば、ミクロスケールもマクロスケールも両方OKな理論になるんじゃないか」という考えはずっとあるのよね。

 

では新しい理論とは何か？　いくつか候補はあるんだけど、どれが正しいのか、あるいは全部間違いなのかは今のところ誰も分からないのよね。もし、一般相対性理論でも標準模型でも説明ができない未知の現象が見つかれば、その未知の現象を説明できる理論が新しい理論の候補になる、という感じになるよね？

 

ということで今の物理学者は、今の理論では説明できない未知の現象を探しているのよ。その中の1つが、最も身近な力である重力相互作用を検証するものなのよね。この重力というのは、一般相対性理論ではかなり精度よく説明できてるんだけど、標準模型では全く説明されていないものになるのよ。

 

また、新しい理論の候補のいくつかは、重力は非常に短い距離では異なる振る舞いをするのではないかとする主張があるのよ。例えば1mmよりずっと短い距離では、それより長い距離と比べて、重力が急激に弱まるとする主張があるのよね。もしそのような現象が観測されれば、それは未知の現象に他ならないのよ。

 

 

もっとも、その検証はとても大変なのよね。重力は万有引力とも呼ばれる通り、本来は全ての物体が持つ力なんだけど、それこそ天体サイズにでもならない限り意識できないとても弱い力になるのよね。1mmより短い距離での重力の検証となると、ここが大きな課題になってくるのよ。

 

非常に短い距離での重力の強さを測る実験では、2つの物体が重力で引き合う強さを探る訳なんだけど、今までの実験ではそのうちの片方が地球そのものか、もしくは非常に重い物体で行われてきたのよね。重力が弱すぎる力である以上、少なくとも片方についてはちょっとでも強い重力を出したいというのが理由になってくるのよ。

 

このような感じなので、引き合う2つの物体が共に軽いもので実験を行う、というのはかなり難しいのよね。これまでに達成できた最も小さな物体同士の重力の測定は、2つの金属の球が引き合う力の測定で、1個の球の重さはわずか0.09g (90mg) しかなかったのよ。これらの事例の細かい情報は、記事末尾の「関連研究」を見てね！

 

世界最小、0.0076gの物体の間で働く重力の強さを測定

 

中山ちゅうざん大学のZheng-Jie Anアン・ジェンジさん、Wen-Hai Tanたん・ウェンハイさん、Cheng-Gang Qinチン・チェンガンさん、および華中科技かちゅうかぎ/rt>大学のWen-Can Dongドン・ウェンツァンさんを同等の貢献度とする研究チームによる今回の研究は、今までよりさらに軽い物体同士で働く重力の強さを測る実験という立ち位置になるのよ。

 

今回の重力の強さを測る実験では、2枚のシリコンウエハー (ケイ素の板) の間で働く重力を測定したんだけど、1枚あたりの重さはたったの0.0076g (7.6mg) しかないよ！　先ほどの金属球の12分の1の重さしかない、物体同士での重力の測定としては世界最小の記録になるのよね！

 

といっても、ただ2つのシリコンウエハーを近づけるだけでは重力を測れないので、色々と工夫が必要なのよね。今回の研究はとても弱い重力を測れたというよりも、こういう装置を作るとミリグラムスケールでの重力を測れることを示したという点が大きいのよ。

 

本文を読みながら図を見てほしいかな。まずは肝心の引き合うシリコンウエハーだけど、そのうちの1つは左右に伸びた腕の片方に付けられており、全体はタングステン繊維で吊るされた振り子として機能するのよ。このうちの片方が重力で引き合う片方の側となり、もう片方は後で説明するようにカウンターウェイトとして機能するのよ。

 

この振り子の先端と引き合うもう1つのシリコンウエハーは、16方向に伸びた16枚のシリコンウエハーから成り立つのよ。これは観覧車のように、10分で1回転するのよね。回転するに従い、回転する側のシリコンウエハーは、振り子側のシリコンウエハーに近づいたり遠ざかったりするので、相手に及ぼす重力の強さが変化することになるよ。

 

このような工夫をするのは、測ろうとする重力が余りにも弱すぎるため、そのままではノイズと真の信号とを見分けるのが難しいからなのよね。今回のようにシリコンウエハーが近づいたり遠ざかったりすれば、重力の強さは周期的に変化するはずだから、周期を取れれば真の信号である可能性が高いとなるわけ。

 

そして、この重力の測り方にも工夫があるのよ。振り子はタングステン繊維で吊るされ、回転できる形なので、シリコンウエハーが重力で引き合うことでわずかに回転するわけだよね？　これ自体は、1798年に万有引力の強さを測定したキャヴェンディッシュの実験^[注1]とほぼ同じ仕組みなのよ。

 

ただ、今回の振り子はちょっと工夫がされているよ。振り子の回転による角度の変化がレーザーで測定されると、カウンターウェイトは静電気の力によって回転しないように固定されるのよ。今回の実験では、この回転の力を止めるために必要な静電気の力から、重力の強さを計算する方式で測定したのよ。

 

このような方法を取る理由は複数あるけど、何より大きいのは、どれだけ工夫しても装置全体の静電気を完全にゼロにすることができないし、シリコンウエハーの距離が変わってしまうと実験データの解釈が複雑になっちゃうから。なので今回の実験では振り子を固定する方法が採用されたのよね。

 

今回の実験は、とにかく色んなノイズ、特に静電気と戦っているのよね。例えば振り子側と回転側のシリコンウエハーの双方の間には、厚さ0.05mm (50µm) の薄い膜を置いたのよね。この膜は金メッキされたシリコン膜で、これもシリコンウエハー同士が静電気の力で引き合うのを防ぐために設置されたのよ。

 

たった0.000000000000000471Nの力の測定に成功！

 

今回の実験では、シリコンウエハー同士の距離を0.654mmから1.554mmの間で調整し、計算上現れる重力の強さと比較したのよね。その結果、0.654mmの距離で働く、1枚0.0076gのシリコンウエハー間の重力の強さは471アトニュートン (471±23×10^-18N) であると測定されたのよ。

 

これはどれくらいなのか？　1Nは約100gの物体に対して働く地球の重力の強さと同じくらい。471アトニュートン=0.000000000000000471Nな訳だから、これは0.001gの粒に働く地球の重力の200億分の1以下、あるいは大きめのウイルスに働く地球の重力とほぼ同じ値になるのよ！

 

ちなみに、重力の値が分かったことから、ここから万有引力定数を計算できるのよ。ここから計算した値は6.67±0.35×10^-11m³/kg/s²であり、国際的に使われている値と比べると不確かさは5.3%しかないのよ。このため、2つの物体がミリグラムスケールしかなかったとしても、重力の法則は引き続き有効だと判定できるのよね。

 

もちろん、今回の研究はスゴいことなんだけど、ここで終わりかと言えばそうじゃないんだよね。今回の実験はミリグラムスケールでの重力の法則の検証ではあったけど、もしも重力の法則が原子スケールで破綻していることを証明する場合、もっと軽い物体で重力の法則を検証しないといけないのよね。

 

いくつかの実験の提案では、2つの物質の質量が共に10^-14kgから10^-12kgであることを理想としているのよ。これは今回の実験よりさらに100万分の1から1億分の1も軽い値！　もちろん簡単に達成できるものじゃないけど、これによって数十µmくらいの距離での重力の法則の検証ができるはずなのよ。

 

もちろん、これほど小さな重力の測定は、さらにノイズと戦わないといけないはず。なので何十日もかけて実験を行うなど、繰り返しの測定が必要になることが予想されるのよ。

 

今回の研究は、小さな物体同士で働く重力の検証という意味ではもちろんすごいけど、次の研究に繋がりそうということでも期待が持てるのよね！

 

300年来の重力の法則を数億光年スケールで検証！　やっぱ暗黒物質は存在するっぽい？