今年4月、物理学会が発行する学術誌『Physical Review Letters』に掲載された、「負の質量」を持つ物質の生成に成功したというニュースは、多数の海外メディアにてセンセーショナルに報道された。

もし「負の質量」を持つボールを手で押したとすれば、それは押した方向に加速して転がるのではなく、手前に加速して返ってくる。そんな“最高にロック”な物質が生まれたとなれば、反重力装置が開発されるのは時間の問題。そうしたら、ホヴァーボードはもちろん飛行石なども簡単に作れてしまうようになるのでは──などと夢は広がるが、残念なことにこれらは早合点だ。

このたび米ワシントン州立大学の研究者らは、ルビジウム原子を絶対零度付近にまで冷却し、ラマンレーザーでスピン軌道相互作用を引き起こすことで、「負の有効質量」を持つ流体の生成に成功した。「負の有効質量」自体は、実は半導体などの世界でも見られる現象だという。では今回の実験で生成された「負の有効質量」を持つ物質は、いったい何が特別なのだろう？ そして本当に、物質の質量がマイナスであるかのようにふるまうことなどあり得るのだろうか？

「かねて実験では、光格子や電子バンド構造などで『負の有効質量』が見られましたが、これらはシステムの空間構造（格子）がもつ潜在的な特性に起因するので複雑です。今回の研究で新しいのは、スピン軌道相互作用レーザーを用いたシステムにおける、『負の有効質量』の実証です」。このように『WIRED」日本版に答えてくれたのは、この研究を率いた米ワシントン州立大学の物理学者、マイケル・フォーブス准教授だ。

フォーブスらの研究グループは、新たな実験設定下で極低温の原子の特性を研究していた。これらの結果が、観測はできても実験ができない宇宙論や天体物理学をモデル化するのに役立てられるかもしれないからだ。あらゆる環境下における物質の基本的性質を知ることができれば、量子コンピューターや超精密センサーなどの分野にも利用できるかもしれない。

「たとえば低温原子の中でもリチウム原子は、超新星爆発の超高密度残骸である中性子星の特性をモデル化するのに利用できるはずです。物理的法則の不変性により、適切な条件下におけるリチウム原子の特性は、中性子星の地殻中性子の性質にほぼ直接的に関連します。何千光年も先にある弱々しい光を観測するしかなかった分野でも、物理の実験室で探求できることはあります」

今回発表された「負の有効質量」を持つ流体も、極低温の原子で作製できる機能のひとつにすぎないとフォーブスは言う。

「わたし達の実験では、並進不変性を保ちながら『負の有効質量』を生成します。したがって、潜在的な可能性のいくつかにより導き出された複雑な性質ではなく、この効果が事実、『負の有効質量』から生じることを明確に証明することができるのです」

極低温原子の奇妙なふるまい

研究チームは実験で、ルビジウム原子を絶対零度付近まで冷却し、ボーズ・アインシュタイン凝縮の状態を作り出した。常温では自由に飛び回ったり振動したりする原子の集団は、極低温になると一斉に凝縮して流体となり、量子力学の法則に従って集団で波としてふるまうようになる。ミクロの世界の不可思議なふるまいが、巨視的スケールで出現する瞬間だ。

「ルビジウム原子にはもともと反発し合うという特性があるので、互いに間隔を置きたがります。わたし達は、まずそれらのルビジウム原子をレーザーで狭いスペースに押し込め、そのレーザーをオフにして、これらの原子を解放し、拡張させました。そして、ここでスピン軌道相互作用を引き起こすラマンレーザーを使用します」

ラマンレーザーは、原子同士の反発力によって拡張するルビジウム原子の超微細構造の状態を変換したり戻したりし、流体に運動量を伝達する。そうしてルビジウムの原子は勢いよく左右に拡張する。

IMAGE:Michael McNeil Forbes: Washington State University

「最初はルビジウムの有効質量はポジティヴであり、原子同士の反発による外向きの力が原子の雲を拡張させます。しかし、原子の雲の右側が十分な速度で動き始めると、その有効質量は『負』になります。この時点で、原子の反発による外向きの力は、加速するよりも、むしろ減速し始め、流体は突然立ち止まって積み重なります。場合によってはこの積み重なりを止めることができ、『自己束縛』に繋がります」（上記のシミュレーション画像を参照）

有効質量が負になった流体──この状態にある流体は、ポジティヴな力を加えると、流体はその力とは逆の方向に加速するのだと、フォーブスは「負の有効質量」の奇妙なふるまいについて説明する。

この流体の「自己束縛」は、シミュレーションの右進行部分に位置する「負の質量」領域にある流体の外向きの圧力が、逆方向であるその中心に向かって加速されることで起こるという。「負の質量」をもつかのような流体のふるまい、そして流体の「自己束縛」は、最終的にはラマンレーザーに起因するものだ。言い換えれば、このレーザーは、原子の雲が外力の影響を受けたとき、それらを“間違った方向”に押すことになるのだという。

「別の興味深い特性は、質量が負になると、流体が不安定になり、大きく振動し始めるということです。イメージとしては、液体の入ったカップを車に入れて運転するような感じです。車が加速すると、カップ内の液体は車の加速に反応して僅かに後退しますが、劇的な変化はありません。加速している車の力は、カップを通して流体に伝わり、流体は車と共に加速します。しかし、車のスピードが上がり、負の質量の領域に達すると、液体はカップの後方に突然はね上がって、この不安定性のために激しく泡立つのです。最終的に、流体が十分な速度で移動し、負の質量領域を超えると、このモーションは再び緩やかになります──この部分はまだ実験では確認できていませんが、シミュレーションでは見てきました。とても奇妙なふるまいだと思いますね」

IMAGE:Michael McNeil Forbes: Washington State University

「負の質量」と「負の有効質量」

この実験により生成が可能となった「負の有効質量」を持つ物質だが、実際のところ、物質の質量と有効質量に違いはあるのだろうか？ ちなみにこの研究での質量とは、慣性質量で表されるものである。

「この実験では基本的に違いはありません」と、フォーブスは言う。「慣性質量の基本概念が、対象物のふるまいを国際キログラム原器のふるまいとの比較に依存するもの、という意味合いにおいて、全ての慣性質量は有効質量です」

慣性質量とは、物体に力を加えたときの加速度をもとにした質量である。つまり物体の質量が、物体に作用する力（F）と加速度（a）を基盤とした、ニュートンの運動方程式（F=ma）で表される質量のことだ。そしてこの方程式において、質量がマイナスになることは、たとえば電子に正と負の電荷があるのと同じように、仮説的には可能である。とはいえ、普段は慣性質量の正の部分しか目にすることはない。

「『負の質量』という言葉を使って混乱させてしまったのは、わたしたちが真空で『負の質量』をもつ流体を生成したと思われたからでしょう。有効質量とは、粒子そのものの質量というよりも、質量はシステムに存在するという意味を持ちます。この実験の場合、スピン軌道相互作用を生じさせるラマンレーザーがこの“システム”に当たります。ラマンレーザーが存在しない場合、ルビジウム原子の拡張は通常通り、正の質量であるF=maに支配されます。しかし、このレーザーの影響下で流体が動くと、拡張はF=ｍ(p)aに依存することになります。ここでのm(p)は運動量に依存する有効質量であり、原子が適切なスピードで動いたとき、それは『負の有効質量』を有することになります。しかし、この効果はレーザーなしでは持続しません」

「負の質量」は不安定で扱いづらい

フォーブスによると、「負の質量」をもつ物質の可能性は発見されたばかりであり、まだこの研究結果がどの分野に応用できるかはわからないという。しかし、たとえば原子核物理の理論を試すために、自己束縛のシステムを設計し、衝突や反応を研究するのは魅力的だと彼は言う。

「わたし達が生成したものは実用的な意味での『負の質量』を持つ物質です。ここで示すことができたのは『負の質量』を持つ物質が存在する可能性であり、その特性を議論して測定するのは理にかなっているということです。しかしわたし達は、『負の質量』をもつ流体が非常に奇妙なふるまいをし、とてつもなく不安定だということも実証しました。『負の質量』は、特定の速度範囲のみ実現可能であり、一度それが不安定になると、流体は加速または減速をしてしまい、通常の質量に戻ってしまうのです」

フォーブスは、次に新たなタイプの「負の質量」が実験で生成できるとすれば、今回使用されたラマンレーザーのような何らかのエフェクトが必要だろうと推測する。そして「負の質量」領域はある程度制限されていなくてはならない。万が一、物質が完全に飛んでいってしまうのを未然に防ぐために。