史上最低温度 10ピコケルビンを宇宙で達成

史上最低温度はどれくらい？

これまでに報告された史上最低温度は9.7ピコケルビンの等価温度で、中国の宇宙ステーションで記録され、2026年11月5日にScience誌に掲載されました ^[1][2]。1ピコケルビンは1ケルビンの1兆分の1なので、原子は絶対零度を1兆分の1度の10分の1未満しか上回っていません ^[2]。

「Quantum gases below 10 picokelvin in space」と題した論文は、2.0 × 10^4、つまり20,000個の原子からなるボース・アインシュタイン凝縮体（BEC）が、7.0秒の自由膨張時間でこの等価温度に達したと報告しています ^[1]。実験にはルビジウム原子が使われました ^[2][3]。

Science誌のニュースは、この成果で史上最低温度が4分の1に更新されたと伝えています ^[2]。2021年に従来の記録を出したハノーファー大学の量子物理学者エルンスト・ラーゼル氏は、Science誌に「研究者たちを祝福します。深く感銘を受けました」と語りました ^[2]。

見出しでは10ピコケルビンと丸められることが多く、どちらの数字も報道に登場します。論文は10 pK未満と報告し、Science誌の記者は最終的な原子の速度を約10 pKに相当すると説明しています ^[1][2]。

10ピコケルビンは宇宙と比べてどれほど低い？

天文学者が知る自然界のどんな場所よりも、はるかに低い温度です。宇宙空間は宇宙マイクロ波背景放射で満たされており、NASAはその温度を約2.725ケルビンと測定しています ^[5]。2.725 Kを9.7 pKで割ると、宇宙の背景放射は天宮の原子より約2800億倍高温だと分かります。

絶対零度の0ケルビンは、摂氏マイナス273.15度、華氏マイナス459.67度です ^[4]。これらの目盛りでは、今回の記録は絶対零度と区別がつきません。物理学者がケルビンとその細かい単位を使うのはそのためです。

• ナノケルビン（nK）：1ケルビンの10億分の1。初期のBEC実験は約100 nKに達しました ^[2]。
• ピコケルビン（pK）：1ケルビンの1兆分の1。宇宙実験は現在この領域にあります ^[1][2]。

ちょうどゼロに到達することは不可能と考えられています。熱力学第三法則の一つの表現では、絶対零度に達するには無限回の手順が必要になると、Live Scienceの取材に応じた物理学者サイバル・ミトラ氏は説明しました ^[4]。

10ピコケルビンはどうやって実現した？

微小重力下でルビジウム原子をレーザーで捕捉し、最もエネルギーの高い原子を逃がしたうえで、残りをゆっくり広げる方法です ^[2][3]。Science誌の説明によると、手順は次のとおりです ^[2]。

1. 捕捉：約200万個のルビジウム原子を、2本の強いレーザー光が交わる場所にできた幅54マイクロメートルの内側の光トラップに保持しました。レーザーの出力は5ワットでした。
2. 蒸発冷却：出力を0.2ミリワットまで徐々に下げ、よりエネルギーの高い原子を逃がしました。残った20,000個の原子は3 nKまで冷えました。
3. 膨張：原子を幅124マイクロメートルの広いトラップへ広げ、相互作用の強さを弱めました。最終的な速度は毎秒100マイクロメートル未満でした。

「原子の数は変わりません。変わるのは相互作用エネルギーだけです」と、装置の主任科学者である北京大学のXuzong Chen氏は述べました ^[2]。上海光学精密機械研究所は、光トラップでの蒸発冷却は微小重力下では効率が落ちるため、凝縮体の生成を助ける追加の磁場勾配を使ったと付け加えています ^[3]。

装置は、2022年に打ち上げられた宇宙ステーションの実験棟「問天」にあるCold Atom Physics Rackです ^[2][3]。同研究所によると、開発チームは約20立方メートル、10トンの地上設備を、約0.7立方メートル、半トンの飛行用装置に小型化しました ^[3]。

9.7ピコケルビンは本当の温度？

原子がどれだけゆっくり動くかを表す等価温度であり、温度計の読み値ではありません ^[3]。上海の研究所は、9.7 pKという値は「原子の極めて遅い膨張を特徴づける」ものであり、装置や周囲が同じ温度に達したという意味ではないと明言しています ^[3]。

論文自体も「equivalent temperature（等価温度）」という表現を使っています ^[1]。科学者は、解放された原子雲がどれだけの速さで広がるかから温度を推定します。広がり方が遅いほどエネルギーが低いことになります ^[2][3]。Science誌は最終的な速度を毎秒100マイクロメートル未満としています ^[2]。Phys.orgの論文紹介は、9.7 pKの値に対して7.0〜12.9 pKの不確かさの範囲を示しています ^[7]。

この違いは記録を比較するときに重要です。従来の記録38 pKも、NASAの52 pKも、原子雲が広がる速さから推定した実効温度であり、手法は異なるものの同種の量どうしの比較になります ^[2][6][7]。冷蔵庫や惑星、深宇宙の温度との比較は規模を示す目安としては便利ですが、厳密な物理ではありません。

なぜ地上ではなく宇宙で記録が出たの？

重力は極低温の原子を下へ引っ張るため、科学者はより強いトラップで原子を保持する必要があり、その分温度が下がりにくくなるからです ^[2][3]。Science誌によると、重力は原子を支える場に原子を押し付け、温度を押し上げます ^[2]。軌道上ではトラップをはるかに弱くでき、原子をより長く観測できます ^[3]。

2001年にノーベル賞を受賞したMITの物理学者ヴォルフガング・ケターレ氏は、7秒間の観測の意味を次のように語りました。「地上なら約250メートル落下するので、高さ250メートルの真空チャンバーでもなければ地面に激突してしまいます」 ^[3]。

重力から逃れる試みとして、これまでに原子チップを塔から落下させたり、準軌道ロケットで飛ばしたりする実験が行われてきました ^[2]。NASAは2018年にCold Atom Laboratoryを国際宇宙ステーションに打ち上げ ^[2]、ステーション上で作られたボース・アインシュタイン凝縮体は、2022年にNature Communicationsで報告された実効温度52 pKまで下がりました ^[6]。従来の記録である38 pK、自由膨張2秒は、微小重力下の原子チップ磁気トラップによるものでした ^[1]。Science Newsはこれを2021年に発表された落下塔実験と説明しています ^[6]。

中国の装置が異なるのは、磁気トラップではなく、レーザー光でできた光トラップを使う点です ^[1][2]。論文は、このような量子ガスを微小重力下で光トラップを使って作るのは初めてだと述べています ^[1]。

ボース・アインシュタイン凝縮体とは？

ボース・アインシュタイン凝縮体は、非常に冷えた原子が一つの量子波にまとまり、集団として振る舞う物質の状態です ^[2][3]。Science誌はこれをレーザー光の光子にたとえ、BEC中の原子は抵抗なく流れ、干渉パターンを作ると説明しています ^[2]。

サティエンドラ・ナート・ボースとアルベルト・アインシュタインは1924年に凝縮体の存在を予言し、1995年に二つのチームがルビジウム87とナトリウム23でそれぞれ初めて作り出しました。この業績は2001年のノーベル物理学賞を受賞しています ^[2]。Live Scienceは、凝縮体が一つの原子のように振る舞うと表現しています ^[4]。

個々の原子よりはるかに大きなスケールで効果が見えるため、BECは量子的な振る舞いを直接調べる手段になります ^[3]。関連する考え方の入門としては、Quantum Computing Explained for Beginners: What It Is and What It Is Not をご覧ください。今週の別の宇宙科学の話題としては、Euclid Telescope Data Release: What ESA's New Map Shows があります。

宇宙の極低温原子は何に使える？

主に精密測定と量子シミュレーションです。研究者と独立した専門家は、これらを今後の研究の方向性として挙げています ^[2][3]。

• 重力の検証：長い膨張時間は干渉実験に最適で、一般相対性理論が仮定するように、重力があらゆる種類の原子に等しく作用するかを検証できるとScience誌は報じています ^[2]。「7秒という値は、10ピコケルビンよりさらに重要な性能指標です」と、カリフォルニア大学バークレー校のホルガー・ミュラー氏は述べました ^[2]。
• 原子干渉計：感度は原子が装置内にとどまる時間の2乗に比例して高まり、地球の重力場の測定や暗黒物質モデルの検証に役立つ可能性があると、ラーゼル氏は上海の研究所に語りました ^[3]。
• 量子シミュレーション：研究チームは、結晶を模したレーザーの格子である光格子を用い、高温超伝導に関わる効果をシミュレーションすることを計画しています ^[2][3]。
• 混合原子：パリ北大学のエレーヌ・ペラン氏は、光トラップなら異なる内部状態の原子を同時に保持できると指摘しました ^[2]。

上海の研究所のWeibiao Chen氏はScience誌に、この装置は「国際コミュニティに開かれている」と語りました ^[2]。これらの応用は、まだこの装置では実証されていません。