光と重力波の相互作用による能動的操作を提唱する理論物理学

ヘルムホルツ・ツェントルム・ドレスデン・ロスンドルフ（HZDR）の理論物理学者であるラルフ・シュッツホルト教授は、光波と通過する重力波との相互作用を利用し、重力波を能動的に操作するという実験計画を提唱した。この構想は、重力が光を含むあらゆる形態のエネルギーに影響を及ぼすという基本原理に基づいている。

シュッツホルト教授の提案の中核は、光波と重力波の間で、重力子の類推となる微小なエネルギーパケットを移動させることにある。このエネルギー交換により、重力波の強度がわずかに増大し、同時に光波の周波数に極めて微細な変化が生じる。この理論的成果は、2025年に『Physical Review Letters』誌に掲載された論文で詳述されており、重力子の存在を示唆する観測経路を提供する。

この微細な効果を検出するには、実験施設に極めて大規模な技術的努力が求められる。具体的には、約1キロメートル長のセットアップ内でレーザーパルスを最大100万回反射させ、光学経路長を約100万キロメートルに達させる必要がある。この長大な光路長を経て生じる周波数シフトは、慎重に構築された干渉計を用いて実証可能であるとされている。

この種の検出器は、カリフォルニア工科大学（Caltech）とマサチューセッツ工科大学（MIT）が運用するLIGO（レーザー干渉計重力波天文台）などの既存の重力波検出器と概念的に類似している。LIGOは2015年9月14日に人類初の重力波「GW150914」を検出し、アインシュタインの一般相対性理論の最後の未検証の予測を実証した。シュッツホルト教授の提案は、この既存のLIGOインフラストラクチャの概念を基盤としつつ、感度向上の可能性を示唆している。

シュッツホルト教授は、干渉計の感度を向上させるために、もつれた光子（エンタングルしたフォトン）の利用を提案している。この感度向上が実現すれば、研究者は重力場そのものの量子状態を推論できるようになる可能性がある。これは重力子の直接的な証明ではないものの、成功は重力子（グラビトン）の存在を強く示唆する結果となる。逆に、実験が失敗すれば、現在の重力子に基づく理論が反証されることになる。

重力波の観測は、ブラックホールの合体などの宇宙の激しい現象を研究する上で不可欠な手段となっている。LIGOは2025年11月18日に第4期観測ラン（O4）を終了し、現在アップグレード期間に入っている。このような既存の検出器の進展と並行して、シュッツホルト教授の提案は、重力波の検出だけでなく、その能動的な操作という、より野心的な目標を掲げており、量子重力理論の検証に新たなフロンティアを開く可能性がある。