立教大学理学部の村田次郎教授と二宮一史研究員を中心とする研究チームは、物理学の最も基本的な原理の一つである「自由落下の一様性」が、ミリメートル(千分の1ミリメートル)規模の小物体による重力でも成り立つことを初めて確認した。

 自由落下の一様性とは全ての物体が重力によって同じ加速度で落下することで、ガリレオのピサの斜塔の実験で有名だ。「等価原理」とも呼ばれ、力に対する動きにくさを示す量(慣性質量)と重力を感じる量(重力質量)が同じものであることを示し、アインシュタインが一般相対性理論を構築する際の発想の原点となった。

 これまで、等価原理は地球の重力による実験では極めて高い精度で成り立つことが確認されていたが、実験室内のミリメートル規模の小物体による重力でも成り立つかどうかは確認されていなかった。このような小物体の引き起こす重力は、地球の場合に比べて1億倍程度も弱く、重力を検出すること自体が極めて難しい実験だ。

 研究チームは、ねじれ秤と呼ばれる装置と画像処理技術を組み合わせた独自の計測装置を開発し、ミリメートルからセンチメートル規模の小物体間の重力の検出と、その物質による違いの有無を検証した。表面近接距離は最短で4.5mmに迫る計測で、タングステンの小物体が銅とアルミの異なる重力源に対して感じる重力場の強さは、数%程度の誤差の範囲内で一致することが初めて明らかとなった。

 現在、高感度化・高精度化・小型化を進めており、等価原理と万有引力の法則をさらに厳しくテストしている。今後、近距離で等価原理を破る新たな重力理論の兆候や、余剰次元の存在を示す万有引力の法則の破れなどが発見される可能性があるという。

論文情報:【Classical and Quantum Gravity】Short-range test of the universality of gravitational constant G at the millimeter scale using a digital image sensor

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大学ジャーナルオンライン編集部

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