宇宙の基本的な力はすべて量子力学の法則に従うことが知られているが、1つを除いては、重力である。 重力を量子力学に適合させる方法が見つかれば、宇宙の仕組みを第一原理から完全に説明できる「万物の理論」に、科学者は大きく近づくことができます。 重力が量子力学的であるかどうかを知るための重要な第一歩は、長い間信じられてきた重力の素粒子「重力子」を検出することである。

量子力学は、すべてのものが粒子と波の両方の振る舞いをするエネルギーの束である「量子」でできていることを示唆しています（たとえば、光の量子は光子と呼ばれます）。 例えば、光の量子は光子と呼ばれる。重力の量子を検出すれば、重力が量子であることを証明できる。 しかし、重力は非常に弱いという問題があります。 物理学者フリーマン・ダイソンは、重力子が物質に及ぼす極小の影響を直接観測するためには、重力子検出器が、それ自体が崩壊してブラックホールを形成するほど巨大でなければならない、と指摘しました。 “これが、非常に多くの競合する理論が存在し、それが実際にどのように機能するかを理解することに成功していない主な理由です。”

しかし、2015年に、現在オーストラリアのアデレード大学にいる理論物理学者のジェームズ・クアックが、その量子の性質を利用して重力子を検出する方法を提案しました。 量子力学は、宇宙が本質的にファジーであることを示唆しています-例えば、ある粒子の位置と運動量を同時に絶対的に知ることはできません。 例えば、粒子の位置と運動量を同時に絶対的に知ることはできない。この不確かさの結果として、真空は完全に空ではなく、仮想粒子と呼ばれる「量子の泡」が絶えず出たり入ったりしているのである。 これらの幽霊のような実体は、重力子を含むあらゆる種類の量子である可能性がある。

数十年前、科学者は仮想粒子が検出可能な力を発生させることを発見した。 たとえば、カシミール効果とは、真空中で近くに置かれた2枚の鏡の間に見られる引力または斥力である。 この反射面は、仮想の光子が存在したり消えたりすることで発生する力によって動きます。 以前の研究では、超伝導体は通常の物質よりも強く重力子を反射する可能性が示唆されていた。そこでクアッハは、真空中の2枚の薄い超伝導シート間の相互作用を調べれば、重力カシミール効果を発見できるだろうと計算したのだ。 その結果、標準的な仮想光子に基づくカシミール効果から予想される力のおよそ10倍の強さが得られる可能性がある。

最近、Norteたちはこの実験を行うためのマイクロチップを開発した。 このチップには、超伝導になるようにほぼ絶対零度まで冷却された2枚の微細なアルミニウム・コーティングの板が搭載されている。 片方の板を可動式の鏡に取り付け、その鏡に向けてレーザーを照射した。 もし、重力によるカシミール効果で板が動けば、鏡に反射する光の周波数が測定可能なほどシフトする。 7月20日発行のオンライン版『Physical Review Letters』によると、重力によるCasimir効果は確認されなかった。 この結果は、必ずしも重力子の存在、すなわち重力の量子的性質を否定するものではない。 量子物理学者でノーベル賞受賞者のフランク・ウィルゼック（マサチューセッツ工科大学）は、この研究には参加しておらず、結果が無効であったことにも驚いていない。 それでもクアックは、これは「重力子を検出する勇気ある試みだった」と言う。”

ノルテのマイクロチップは重力が量子的かどうかを発見できなかったが、他の科学者は、重力量子効果を見つけるためにさまざまなアプローチを追求している。 たとえば、2017年には、2つの独立した研究が、重力が量子的であれば、粒子間に「エンタングルメント」と呼ばれるつながりを生み出し、ある粒子が宇宙のどこにいても瞬時に別の粒子に影響を与える可能性があると示唆した。 レーザー光と微小なダイヤモンドを用いた卓上実験が、このような重力ベースのエンタングルメントを探索するのに役立つかもしれない。 ダイヤモンドの結晶は、原子との衝突を避けるために真空中に置かれ、重力のみによって互いに作用する。 科学者たちは、これらのダイヤモンドを同時に落下させ、重力が量子であれば、それぞれの結晶が相手に及ぼす重力によって、ダイヤモンドが互いに絡み合う可能性がある

研究者は、落下後にそれぞれのダイヤモンドの中心部にレーザーを照射して、絡み合いを探索する。 結晶の中心部の粒子が一方向に回転していれば蛍光を発するが、反対方向に回転していれば蛍光は発しない。 もし、両方の結晶のスピンが偶然よりも頻繁に同期しているならば、それはエンタングルメント（絡み合い）を示唆している。 「世界中の実験者が、このチャレンジに好奇心を抱いています」と、量子重力研究者であるオランダのフローニンゲン大学のAnupam Mazumdarは言う。

量子重力の証拠を見つけるもうひとつの方法は、宇宙マイクロ波背景放射、つまりビッグバンのかすかな余韻を見ることです、とMITの宇宙学者アラン・ガスは言います。 グースの宇宙論モデルであるインフレーションによれば、ビッグバンからわずか1秒以内に宇宙が驚異的に拡大したとき、これらの短い波長は宇宙全体でより長いスケールに伸びていたはずである。 この量子重力の証拠は、宇宙マイクロ波背景放射の光子の偏光や配列の渦として見ることができます。

しかし、Bモードとして知られるこれらの渦のパターンの強さは、インフレーションの正確なエネルギーとタイミングに非常に大きく依存します。 「インフレのバージョンによっては、これらのBモードはすぐに見つかるはずだと予測していますし、他のバージョンでは、Bモードは非常に弱いので、検出の見込みはないだろうと予測しています」とガスは言います。 「しかし、もし発見され、その性質がインフレーションからの予想と一致すれば、重力が量子化されていることの非常に強い証拠となるでしょう」

重力が量子化されているかどうかを調べるもうひとつの方法は、ビッグバン直後に発生した重力子で構成されていると考えられる重力波の量子揺らぎを直接調べることです。 レーザー干渉計重力波観測装置（LIGO）は2016年に初めて重力波を検出したが、インフレが宇宙規模に引き伸ばした初期宇宙の揺らぎ重力波を検出するには感度が足りないとガースは言う。 レーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）のような宇宙の重力波観測所は、これらの波を検出できる可能性があると、ウィルゼックは付け加えます。

しかし、アラバマ大学ハンツビル校の天体物理学者リチャード・リューは、学術誌Classic and Quantum Gravityに最近採択された論文で、もし重力子が現在の粒子物理学のいくつかのモデルが示唆するほどのエネルギーを運ぶなら、すでにLIGOが検出したはずだと論じています。 重力子のエネルギーが予想より小さいだけかもしれませんが、Lieu氏は、それは重力子が存在しないことを意味するかもしれないと示唆しています。 「重力子がまったく存在しないのであれば、ほとんどの物理学者にとって朗報でしょう。なぜなら、私たちは量子重力理論の開発で恐ろしいほどの時間を費やしてきたからです」と、Lieu 氏は言います。 「理論的な観点からは、重力が量子化されないようにする方法を想像するのは非常に難しい」とガスは言う。 「私は、古典的な重力が量子物質とどのように相互作用するかについて、賢明な理論を知りませんし、そのような理論がどのように機能するか想像もつきません」

。