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広岛大学大学院先进理工系科学研究科 助教 片山 春菜
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(＊は半角＠に置き换えてください)
本研究成果のポイント
- 「宇宙船に乗ると温かい」ってホント！？ 誰も見たことのない「幻の熱」、ついに測れるかも！
惊异的な加速（地球の重力加速度の约100京倍）をしている観测者が感じるとされる「アンルー効果(*1)」。――何も存在しないはずの「真空」は、静止している観测者には温度ゼロに见える一方で、加速している観测者には「热」として感じられるという、観测者の运动状态の违いによって现れる现象です。このアンルー効果を捉える、画期的な方法を発见しました。
- 「磁束の量子ペア」の崩壊で、ミクロな世界の温度を测る！
このペアが壊れる时に生じる电気信号を测ることで、アンルー効果によって生じる温度（アンルー温度）を捉えることができます。
- より高感度、より広い范囲で、宇宙の谜に迫る！
これまでに提案されてきた测定方法に比べて、様々な状况のアンルー効果に対応でき、非常にわずかな温度変化も高精度で捉えることが可能です。
概要
「宇宙の真空は、本当は何もない空间なのだろうか？」――この壮大な问いに、広岛大学の片山春菜助教率いる研究チームが、惊くべき答えの糸口を见つけました。「加速すると何もないはずの真空が、まるで温かいお风吕のように感じられる」という不思议な现象、「アンルー効果」をついに観测できるかもしれない新手法を提案しました。アンルー効果は、アインシュタインの相対性理论とミクロな世界の不思议な法则量子论という、现代物理学の二つの巨大な柱を结びつける「未解明の超现象」です。全ての物理法则を统一する「究极の理论」の构筑を目指す上で、その実験的な确认は极めて重要な课题とされています。しかし、その効果はあまりにも微弱なため、これまで実験で确かめることは困难だとされてきました。&苍产蝉辫;
本研究では、特殊な超伝导回路の中で、磁束の量子（フラクソン(*2)）がペアになって高速でリング状に运动し、やがて崩壊するというユニークな现象を利用します。この「磁束量子のダンス」が、加速する観测者となり、宇宙の「量子の温もり」を私たちに教えてくれるユニークな「温度计」となるのです。この画期的な成果は、これまで実験的な検証が困难とされてきたアンルー効果の観测に向けた强力な道筋を开くものであり、未来の超高感度センサーの开発にも繋がる、まさに「梦が现実になる」一歩と言えるでしょう。
この研究内容は、世界トップクラスの科学誌「Physical Review Letters」に、2025年7月23日に掲載されました。
论文情报
タイトル：Circular-Motion Fulling-Davies-Unruh Effect in Coupled Annular Josephson Junctions
著者：Haruna Katayama, Noriyuki Hatakenaka
掲載誌：Physical Review Letters
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研究の背景：宇宙の「常识」を疑う、物理学の大いなる挑戦
同じ救急车のサイレンでも、救急车に近づく人と离れる人とでは音の高さが违って闻こえます（図1(补)）。これは、音そのものは同じでも、観测者の运动によって闻こえ方が変わるためです。アンルー効果はこれの「温度版」です（図1(产)）。静止している人には冷たい空间が、加速している人にはほんのり温かく感じられます。ただし、この温かさ自分の运动で発热しているのではなく、観测のしかたが异なるためにそう见えるだけです。そして大事なのは、これは量子効果だという点です。
古典力学の世界では、真空とは物质が何もない空っぽの空间です。しかし、量子论というミクロな世界では、この「常识」は通用しません。量子论では、真空ですら「何もない」わけではなく、目に见えないエネルギーが常にゆらゆらとゆらぎ、粒子がほんの一瞬现れたり消えたりしている、と考えられています（これを量子ゆらぎ(*3)と呼びます）。まるで、静かな水面に絶えず小さな「さざ波」が立っているようなイメージです。このとき、エネルギーのゆらぎによって、粒子と反粒子がペアで、生まれたり消えたりしています。
そして、この「真空のさざ波」の感じ方は、なんと観测者がどんな动きをしているかによって変わる、という惊くべき予测があるのです。まず、静止している人は、粒子が存在しないように感じます。なぜなら、量子ゆらぎによって生まれているのは「仮想」粒子で、実际の粒子ではないからです。
一方、あなたが宇宙船に乗って猛烈なスピードで加速していると想像してください。そのとき、「真空のさざ波」は、実际の粒子として现れてきます。しかも、これらの粒子は、热的なエネルギー分布を持っており、真空がまるで温かい「热」を持っているかのように感じられるのです。これが「アンルー効果」です。つまり、静止していると実体が存在しなかった「真空のさざ波」が、加速すると「実体のある热粒子」として、可视化されるようになります。
これは、アインシュタインが提唱した「速く动くほど时间や空间の进み方が変わる」という相対性理论と、「真空にはゆらぎがある」という量子论という、现代物理学の二つの最高峰の理论を组み合わせたときに导かれる、まさに「宇宙の根源」に迫る现象なのです。もしこの现象を本当に観测できれば、私たちが今生きている「时空」や「真空」というものの本当の姿が明らかになり、宇宙に対する理解が格段に深まると期待されています。
しかし、このアンルー効果はとてつもなく微弱であり、観測が極めて難しい現象です。例えば、わずかな温度（マイナス272℃、つまり1ケルビン）を観測しようとするだけでも、現在の技術では絶対に不可能なほどの、信じられないような加速（約〖10〗^20 m/s?=地球の重力加速度（約 9.8 m/s?）の約10,000,000,000,000,000,000（100京）倍）が必要とされます。
この难题を乗り越えるため、近年注目されているのが、観测器を高速で、しかも非常に小さな円を描くようにグルグル回す方法です。つまり、円运动の加速は、円运动の速度に比例し、半径に反比例するため、小さな円运动は効果的に、莫大な加速度を効率的に生み出し、アンルー効果を観测できるレベルに引き上げられる可能性があります。これまでにも、电子や原子、特殊なレーザーなどを使った様々なアイデアが出されてきましたが、実现には「どうやって测るか」という技术的な大きな壁が立ちはだかっていました。
研究成果の内容：超伝导回路が生み出す「量子の温度计」
本研究では、この长年の课题に対し、谁も考えつかなかった新しいアプローチを提案しました。研究チームが注目したのは、「ジョセフソン接合(*4)」という超伝导回路（図2）です。この回路を二つの层に重ねてリング状にしたものを使います。
この回路の中には、フラクソンとアンチフラクソンという、磁気の性质を持った小さな「粒」が存在します。これらはまるで磁石のように引き合い、ペアを作ります。そしてこのフラクソン?ペアが、リングの円周に沿って高速でグルグルと円运动をするのです。この「円运动するフラクソン?ペア」こそが、今回の研究における「加速する観测者」であり、「宇宙の温度计」の役割を果たすのです。&苍产蝉辫;
この研究の最大の「肝」は、このフラクソン?ペアが崩壊する现象を利用して、アンルー効果による「量子の温もり」を検出する点にあります。ペアの动きは、例えるなら、ある「坂道」を転がるボールのようなものとして考えることができます（図3）。この「坂道」の倾きは、回路に流す电気の量（バイアス电流）を调整することで自由に変えられます。
温度がゼロの场合：バイアス电流を徐々に増やしていくと、「坂道」がどんどん倾き、ある点で「壁」がなくなり、ボールが外に飞び出す（フラクソンペアが崩壊する）瞬间が访れます。この崩壊は、回路に电圧が発生することで観测できます（図4）。崩壊が起きる瞬间の电流値（スイッチング电流(*5)）は常に一定です。
有限の温度がある場合：わずかな「熱ゆらぎ」がある場合は、「坂道」にまだ「壁」があっても、ボールが熱の力で壁を乗り越えて飛び出す可能性があります。つまり、崩壊が起きる電流値は毎回異なり、バラつき（分布）を持つようになります。 温度が高いほどこのバラつきは大きくなり、より小さな電流でも崩壊が起きやすくなります。
本研究では、このフラクソン?ペアの动きを精密なコンピュータシミュレーションで再现し、惊くべき结果を得ました。観测器（フラクソン?ペア）の加速度が大きくなるほど、スイッチング电流の分布が低い电流値の方向へとズレていくことを确认したのです（図5）。システムの温度を変化させていないのに、あたかも温度があるように见えるこの「ズレ」こそが、加速によって生じる「量子の温もり」、すなわちアンルー効果が存在する确かな証拠となるのです。
この新しい测定方法の素晴らしい点は、スイッチング电流の「バラつき」を详しく分析することで、非常に高い精度で温度を测れることです。何度も测定を繰り返せば繰り返すほど、わずかな温度の変化も敏感に捉えることが可能になります。また、従来の観测方法と异なり、连続的なエネルギー状态に対応できるため、より広范囲な状况でのアンルー効果の観测が期待されます。
今后の展开：宇宙の谜を解き明かす、壮大な旅は続く
本研究で明らかになったフラクソン?ペアの崩壊现象は、「热ゆらぎ」によるものだけでなく、「量子トンネル効果(*6)」という、ミクロな粒子が壁をすり抜けるような不思议な现象とも深く関係しています。今后は、これらの様々な崩壊のメカニズムを详细に研究し、アンルー効果の検出にどう影响するか、その违いを明らかにしていく予定です。
さらに、今回の成果を足がかりに、他の量子现象との意外なつながりも探求し、宇宙の根源に隠された新たな物理法则の発见、そして、これまで想像もできなかったような未来の量子センサー技术の开発へと、研究をさらに発展させていきたいと考えています。私たちの研究は、宇宙の「当たり前」を问い直し、人类の知的好奇心を刺激する、壮大な旅の一歩なのです。
用语解説
(*1)アンルー効果：静止している観测者には温度がゼロの「真空」であっても、加速している観测者にとっては「温かく」感じられる现象です。具体的には、加速している観测者は真空中で特定の热的な放射（温度）を感じます。この効果は、真空そのものの性质が変わったのではなく、観测者の运动状态によって、空间の见え方?感じ方が変化するという点に本质があります。
(*2)フラクソン：「蹿濒耻虫（磁束）」と「-辞苍（粒子を表す接尾语）」という言叶から生まれた造语で、ジョセフソン接合の中を安定して移动できる「磁束の块」です。まるで粒子のようにふるまう特徴があります。アンチフラクソンは、フラクソンと反対向きの磁束を持つ存在です。
(*3)量子ゆらぎ：量子力学では、物理量は确定的に一つの値に决まるのではなく、常にある程度の不确定さを持っています。たとえば、物质が何もない「真空」と言われる空间でも、エネルギーが全くゼロということはなく、微细な変动が繰り返されています。この现象を「量子ゆらぎ」と呼び、物事が完全に静止しているわけではないことを示しています。
(*4)ジョセフソン接合：二つの超伝导体（电気抵抗がゼロになる特殊な物质）の间にごく薄い絶縁体（电気を通さない物质）を挟んだ构造をもつ接合です。
(*5)スイッチング电流：回路に流れるバイアス电流差滨镑-=滨冲1-滨冲2を徐々に大きくしていくと、ある瞬间に突如として电圧が発生します。この电圧が现れる时の电流の大きさを「スイッチング电流」と呼びます。フラクソンがペアを形成している状态では电圧は発生しませんが、ペアが崩れると电圧が生じます。言い换えれば、スイッチング电流はそのペアが崩壊し、电圧が発生し始めるタイミングを示す重要な指标となります。
(*6)量子トンネル効果：粒子が、エネルギー的に越えられないはずの壁をすり抜ける量子现象。
参考资料
図1．同じものを観测しても観测者の状态によって、観测结果が异なる例。
（础）ドップラー効果。同じ救急车のサイレンでも、远ざかる人には低く闻こえ、近づく人には高く闻こえる。（叠）アンルー効果。静止している人には冷たく感じる空间も、加速している人にとっては温かく感じる。
図2．リング状に配置された二つのジョセフソン接合の概念図。
超伝導体（黄色）と絶縁体（水色）が二層に重なったリング状の回路です。 上下の接合にはそれぞれフラクソン（青色矢印）とアンチフラクソン（オレンジ色の矢印）が閉じ込められています。これらは磁気的に引き合い、ペアを形成し、リングに沿って移動します。各接合に流れるバイアス電流の向きは、黒い矢印で示されています。
図3: ポテンシャル中の粒子の運動として表現されるフラクソン?ペアの相対運動。
フラクソンペアの相対座标谤の运动は、ポテンシャル中を运动する粒子としてモデル化されます。バイアス电流差滨镑-を増加させると、ポテンシャルは倾き、障壁は低くなっていきます。（础）滨镑-=0の时、ポテンシャルは井戸のようになっており、粒子は闭じ込められ外に脱出することができません。相対座标は、フラクソンとアンチフラクソンの间の距离を表すため、これはペアを保ったまま、フラクソンとアンチフラクソンが互いに近づいたり、离れたりを繰り返して振动している状况に相当します。（叠）バイアス电流差が临界电流に达した时（滨镑-=滨冲肠镑-）、ポテンシャル障壁がなくなり、粒子は脱出します。これは、フラクソンペアが壊れて、フラクソンとアンチフラクソンが远くに离れていくことを意味します。
図4: フラクソンペアの崩壊とスイッチング電流分布。
フラクソンペアの崩壊は、回路に電圧が発生することで検出されます。バイアス電流差を徐々に増加させ、電圧状態へと遷移する瞬間の電流値（スイッチング電流I_s^-）を多数回測定し、そのヒストグラムを作成します。（A）T = 0 の場合、崩壊は常に一定の電流（臨界電流I_c^-）で起こり、ヒストグラムは一点に集中します。（B）有限温度では、熱ゆらぎにより、臨界電流より小さな電流でも崩壊が起きる可能性があります。試行ごとにスイッチング電流の値は異なり、ヒストグラムは分布を持ちます。
図5: 加速度に依存したスイッチング電流分布。
10000回のペアの相対运动のシミュレーションにより得られた、异なる観测器速度に対するスイッチング电流分布を示しています。システムの温度を一定に保っているにもかかわらず、観测器の加速度（速度）が増すと、分布は低电流侧へシフトします。これは、アンルー効果により温度が上昇していることを示しています。
【お问い合わせ先】
