時計が無くても時間は生まれた! 冷却原子2.4万個で作った『ミニ宇宙』

毎朝、目覚まし時計の音で起き、電車の時刻表を見て、待ち合わせに腕時計を確かめる。時間は当たり前のように「そこにある」ものとして感じられている。しかし現代物理学の一部の理論は、時間が宇宙にもとから備わった要素ではないと示唆してきた。英国バーミンガム大学のGiovanni Barontini教授は、絶対零度近くまで冷やした約24,000個の原子で「ミニ宇宙」を作り、外部の時計を一切使わずに時間の流れを測ることに成功した。研究は2026年6月11日付で学術誌Physical Review Researchに掲載された（DOI: 10.1103/1h9j-df4k）。

「時計のない宇宙」という現代物理の難問

時間が宇宙にもとから備わっていない、というのは奇妙に聞こえる。だが理論物理の世界では真面目に議論されてきた問題だ。代表例がウィーラー＝ドウィット方程式である。1960年代にJohn Wheelerと Bryce DeWittが提案したこの式は、宇宙全体を1つの量子状態として扱う枠組みだ。ところが式を書きくだしていくと、時間を表す変数だけが方程式のなかから消えてしまう。宇宙全体を眺める外側からの「独立した時計」は原理的に存在しないため、時間の流れは宇宙内部の関係性から生じるはずだ、というアイデアが自然に出てくる。

この描像は量子重力、つまり一般相対性理論と量子力学を統一しようとする研究のなかで繰り返し登場する。ただし紙の上で議論はできても、実験で確かめる方法は長らく無かった。宇宙全体を作り直すわけにはいかないし、ブラックホールの内側や宇宙誕生の直後に測定器を置くのも当然ながら不可能だ。時間の「根っこ」に触れるはずのこの問題は、半世紀以上ずっと数式のなかに閉じ込められてきた。

もう一つ物理学が抱えている難問が「時間の矢」だ。ニュートン力学もシュレディンガー方程式も、時間を前後に反転させても同じ形で成り立つ。式を見るかぎり、過去と未来には区別が無い。それなのに現実の世界では、コップは割れても元に戻らず、記憶は過去から未来へ積み上がり、コーヒーに落としたミルクは決してひとりでに分離しない。時間の一方向性がどこから来るのかは、19世紀のクラウジウスによるエントロピー概念の提唱以来、物理学の宿題として残ってきた。

ボース＝アインシュタイン凝縮体で作った「ミニ宇宙」

Barontini教授の実験は、宇宙そのものに手を出す代わりに、卓上の閉じた量子系を「宇宙のミニチュア」として使う発想だ。装置の主役はボース＝アインシュタイン凝縮体（BEC）と呼ばれる特殊な物質状態である。BECは、原子を絶対零度に極限まで近づけると、多数の原子が同じ量子状態に落ち込んで、まるで巨大な1つの波のようにふるまう現象で、1995年に初めて実現し、後にノーベル物理学賞の対象にもなった有名な量子物質だ。

今回の実験では、原子集団を絶対零度から数十億分の1度という極寒まで冷やし、およそ24,000個の原子でBECを作った。この原子雲を、周波数の異なる2本のレーザービームで作った薄い「仕切り」で二分する。片側は精密に観測できる「明領域（bright region）」、もう片側は測定しない「暗領域（dark region）」と役割を分ける。全体は外界から徹底的に隔絶され、実験時間のあいだ、エネルギーが逃げたり漏れたりしないよう保たれる。

論文の設定では、原子集団はエネルギーが外へ逃げない保存的なトラップ（磁場や光で作る閉じ込め装置）のなかに置かれ、実験の時間スケールでは散逸——エネルギーがじわじわ目減りしていく効果——が無視できる範囲に抑えられている。この「閉じていること」こそが、外の時計に頼らず内部の情報だけで時を語るための大前提になる。逆にいえば、系がだだ漏れでエネルギーを失い続けるようでは、内部から一貫した時間を取り出すことはできない。

ミソは「暗領域」を意図的に測らないことにある。宇宙のなかにいる観測者は宇宙の外側に立てないから、内側の情報だけで時を語らなければならない。ミニ宇宙のなかの明領域だけを見るというのは、その状況を実験室に置き換えていることになる。

膨張と収縮を繰り返す「卓上ビッグバン」

閉じ込められた原子雲は、そのまま置いておいても静かにしていない。明領域の原子分布は膨張と収縮を反復する。ビッグバンで宇宙が広がり、「ビッグクランチ」と呼ばれる仮説シナリオで宇宙が再び縮む——その縮小版のような現象が、ミリメートル以下のスケールで繰り返し起きるわけだ。BECは原子集団が「一枚の波」のようにふるまうため、通常の気体では見えないコヒーレントな膨張・収縮が観測できる。

研究では、この膨張と収縮のサイクルを何回もまわし、原子分布が明領域のなかでどう再構成されていくかを撮影する。外部の時計を頼れば「1ミリ秒後には形がこうなった」と時系列で並べられる。しかしBarontini教授はあえてその時計を捨てる。頼れるのはミニ宇宙自身の内部情報——粒子がどれだけ広がっているか、どれだけ集まっているか——だけだ。

論文によれば、この膨張と収縮（リコラプス＝再崩壊）のサイクルは一度きりではなく何度も反復され、そのすべてにわたって内部から定義した順序づけが破綻せずに保たれた。たった一回の偶然ではなく、繰り返し起きる現象として押さえている点が、この実験の地味だが重要な強みだ。観測できるのはあくまで明領域の側だけで、暗領域の中身は最後まで測らずに残す。

宇宙論の巨大スケールで語られる膨張と収縮を、卓上装置で「再現」して手元で観察できたという事実だけでも、量子系実験の応用範囲がひとつ広がったといえる。宇宙論者が数式でしか触れられなかった現象を、実験家がガラス容器の中に閉じ込めて撮影する時代に入りつつある。

時間はエントロピーから生まれた

実験の核心はここにある。研究チームは、明領域における粒子分布の乱雑さ——粗視化エントロピー——を実験値から計算した。エントロピーは「情報の広がり具合」を表す量で、原子が均等に混ざるほど高く、片寄るほど低くなる。

結果として、原子が明領域と暗領域のあいだを行き来するにつれ、エントロピーは増えたり減ったりする。このエントロピー値の変化そのものを「時間の目盛り」として使うと、膨張・収縮の全サイクルにわたって事象を一貫した順序で並べられることが確認された。Barontini教授はこれを「エントロピー時間（entropic time）」と呼ぶ。

エントロピー時間には3つの特徴がある。第一に、一方向にしか進まないため、実験のなかにも「過去から未来」に相当する明確な向きが立ちあがる。第二に、システムが膨張しても収縮しても、事象の順序は正しく保たれる。第三に、エントロピーの再分配のしかたに応じて、内部から見た時間は速くも遅くもなり得る。時計の針の速度が伸び縮みするようなイメージだ。

論文の言い方をすれば、明領域と暗領域のあいだでエントロピーが交換されること自体が、事象を頑健に順序づける内部の時間を生み出している。時間を刻むのは系の外にある針ではなく、系のなかを行き来する乱雑さそのものだ、というわけだ。エントロピーが動くから時間が進み、エントロピーが動かなくなれば時間も止まる。

粒子の分布が変化を止めた瞬間、エントロピー時間も止まる。時間とは「変化そのもの」なのだ、という長年の考えに、一つの実験的支持が与えられたことになる。

シュレディンガー方程式は「そのまま」効いた

気になるのは、内部から作ったエントロピー時間が既存の物理法則と衝突しないかどうかだ。研究チームは、量子力学の基本方程式であるシュレディンガー方程式を、通常の時計時間ではなくエントロピー時間で書き直せることを示した。書き直した方程式は、実験で測定された原子分布の発展をそのまま再現できた。

より正確にいえば、論文は測定せずに残した1つの自由度について、エントロピー時間で駆動されるかたちのシュレディンガー方程式を導き、それが実測データの時間発展を再現することを確かめている。外の時計を前提にした道具立てが、内部の乱雑さを時間に読み替えても壊れずに働いた、ということだ。

この意味は大きい。量子系の未来を予測する道具は、そもそも「外部の時計」があることを前提にしていた。今回の結果は、その時計が無くても、系の内部だけを見て量子系の発展を追える可能性を示している。従来の時計時間とエントロピー時間の関係を、あえて表にすれば以下のようになる。

観点	従来の「時計時間」	エントロピー時間
参照先	系の外にある独立した時計	系のなかのエントロピー変化
流れる向き	過去→未来（あらかじめ与えられる）	エントロピー変化から自然に定義
速度	常に一定	エントロピー再分配で変わりうる
変化がない時	それでも進む	止まる

ただし注意も要る。実験は「時計時間の代わりにエントロピー時間でも量子力学が回る」ことを示したにすぎず、量子重力理論そのものを証明したわけではない。実験結果を鵜呑みにして「宇宙の時間の正体はエントロピーだ」と断言するのは、たとえるなら「雨の日には傘と交通事故がどちらも増えるから傘が事故の原因だ」と言うのに近い。両方が同じタイミングで増えるからといって、片方がもう片方を引き起こしているとは限らない。相関があることと、根本原因であることは別問題だ。今回の結果は「両者が等価に動く」という相関の実演であり、量子重力そのものの実験的検証はまだこれからの仕事である。今回のシステムは十分に孤立していて散逸が無視できる範囲で成立している、という条件も忘れてはいけない。

ブラックホール・初期宇宙を「卓上」で追いかける

この成果が科学史のなかで持つ意味は、量子重力や初期宇宙の時間の問題を、「実験可能な問い」に変えた点にある。これまで量子重力の時間の問題は、紙の上で数式をこねる領域だった。Barontini教授の装置はそれを卓上の実験プラットフォームに置き換える。研究チームは、この手法をより複雑な量子系に拡張することで、ビッグバン直後の宇宙やブラックホール内部で時間がどうふるまうかに実験的にせまれると見ている。

「時間」を物理的にリアルに感じるのは、老いること、記憶を積み上げること、待ち合わせに遅れることといった、日常のそこかしこにある。今回のミニ宇宙は、そのどれとも直接つながらない。それでも、時間の正体を「変化＝エントロピー」に置き換えるという発想は、「なぜ人は前にしか進めないのか」「なぜ記憶は未来ではなく過去に向かうのか」という素朴な問いに、物理からの一つの見取り図を与えてくれる。日常の時間感覚と最先端の量子重力の議論は、案外似た構造でつながっているのかもしれない。

筆者としては、この研究の核心を「時間を作った」ではなく「時間を再定義した」と受け止めている。時計を捨てて宇宙の内部だけで時を語る、というアイデア自体は1960年代からあった。ただ、それを机の上の量子系で「実際に走らせて見せた」のは今回が初めてだ。今後、より大きな原子系や、量子計算機のような複雑な量子系にこの手法が広がれば、時間そのものの物理を測る「卓上の物差し」がいくつも並ぶかもしれない。時間が消せるかどうかではなく、時間を作る「素材」は複数あり得るのだ、という視点は、個人的にはこの実験のいちばん面白いところだと考えている。