音響浮遊系における巨視的時間結晶の出現：ニュートン第三法則の非可逆的破綻を実証

ニューヨーク大学（NYU）の物理学者チームは、古典力学の基本原理の一つであるニュートンの第三法則を破る現象を示す、巨視的なスケールでの時間結晶の実験的実証に成功した。この成果は、2026年2月6日に学術誌『Physical Review Letters』で公表され、これまで量子現象と見なされてきた時間結晶の概念を、日常的なスケールで観察可能な系へと拡張した点で重要である。

この特異な物質状態は、音波を利用して空気中に浮遊させるポリスチレンビーズという、極めて単純な構成要素から成り立っている。具体的には、音響レヴィテーター（音響浮遊装置）が生成する定在波を利用し、重力に対抗して粒子を空中に保持する。この装置は30センチメートル弱の高さで手のひらに収まるサイズであり、その安定性は特筆に値し、粒子群はこの特異な振動パターンを数時間にわたって維持した。

現象の核心は、浮遊する粒子間の相互作用にある。粒子が音波を散乱させることで力の交換が発生するが、粒子のサイズに依存した非可逆的な相互作用が生じる。大きなビーズが小さなビーズよりも多くの音響エネルギーを散乱させるため、大きな粒子から小さな粒子への力が、その反作用として生じる力よりも大きくなるという非対称性が現れる。この本質的な非可逆性が、時間結晶の決定的な特徴である持続的かつ自己維持的な周期的振動を可能にしている。

本研究を主導したのは、NYUのソフトマター研究センター長であるデイビッド・グリア教授であり、大学院生のミア・モレル氏と学部生のリーラ・エリオット氏が共同で成果を上げた。彼らの結論は、このマクロな古典的時間結晶が、ニュートンの第三法則が要求する可逆性を破るメカニズムによって成立しているという点にある。この発見は、古典力学の基本原理が適用される系においても、非可逆的な現象が自発的に出現し得るという、基礎物理学における新たな視点を提供する。

この成果は、非可逆的現象の研究を様々な科学分野へ広げる展望を開く。時間結晶は通常、複雑な量子現象として捉えられてきたが、本系は極めて単純である点が注目される。さらに、この時間結晶は、概日リズムや代謝といった生物学的な非可逆的相互作用を研究するための、強力で観察可能なマクロなアナログモデルを提供する可能性を秘めている。また、非可逆的なデバイス、高精度センサー、データストレージへの寄与も見込まれる。

ニュートンの第三法則（作用・反作用の法則）は、アイザック・ニュートンが1687年の『プリンキピア』で体系化した古典力学の三法則の一つであり、全ての相互作用において作用と反作用が等しく反対向きであることを規定する。この法則の破綻がマクロな系で観測されるのは極めて異例であり、従来の物理学の枠組みに対する深い問いかけとなる。NYUのソフトマター研究センターは2004年に設立され、物理学、化学、生物学、工学の境界領域における科学的探求に専念している機関である。この研究が示す非可逆的な相互作用のモデル化は、生命現象における動的プロセスの理解に応用できる可能性が指摘されており、基礎物理学を超えた広範な影響が期待される。