イェール大学の物理学者ニール・ナヴォン（Nir Navon）と簡毅（Jianyi Chen）は、量子力学において科学者がしばしば犯す誤りに焦点を当て、それに関するプロセスを導く「マニュアル」を提供しました。その中で、注目すべき基本的な公式は量子物理学におけるフェルミの黄金則（Fermi’s Golden Rule）です。科学者たちはこの公式を誤って理解しているのではなく、適用するタイミングを誤っているのです。ほとんどの発見者にちなんで名付けられた物理法則とは異なり、フェルミの黄金則はイギリスの物理学者ポール・ディラック（Paul Dirac）によって発見されましたが、イタリア系アメリカ人物理学者エンリコ・フェルミ（Enrico Fermi）にちなんで名付けられ、実験測定と量子力学的システムの微視的性質を結びつけています。
これは少し複雑に聞こえるかもしれませんが、現代技術の多くの応用、スマートフォンからトンネル顕微鏡、粒子加速器などに至るまで、フェルミの黄金則を使用しています。したがって、科学者たちはこの公式の動作とその応用について基本的に理解しています。しかし、ナヴォンと簡毅によれば、科学者たちはこの公式を適用する際に誤用を犯しており、適用条件を誤解したり、使用の「ウィンドウ」を見逃したりしているのです。
科学者によるフェルミの黄金則の誤用は深刻な影響を及ぼす
では、なぜフェルミの黄金則が誤用されるのでしょうか？イェール大学の研究者たちは、科学者がこの法則を誤用することが多い2つの側面を指摘しています。まず、量子遷移は実験で擾乱を引き起こすために微弱でなければならないこと、次にこの法則は特定の観察時間ウィンドウ内でのみ有効であることです。ナヴォンと簡毅は、これらの条件は聞こえるほど単純ではないと考えています。たとえば、「微弱性」は探測されるシステムのエネルギースケールに関連しており、これらのスケールについての理解はあまりありません。時間ウィンドウも非常に微妙で、量子システムが擾乱に反応した後にのみ開き、初期状態が過度に変化する前に閉じます。
研究者たちは、物理学者は十分に理解されたシステムに対してこの2つの条件を正確に計算できるが、強い相互作用を持つ粒子システムに関しては、スーパーコンピュータを使用してもこの問題を解決できないと指摘しています。これは、実験データを説明するためにこの法則を利用する必要がある科学者にとって奇妙な状況を生み出します。なぜなら、この法則を適用するタイミングは実験によって得られるデータに依存するからです。
研究者たちは何をしたのでしょうか？彼らの初期の研究では、科学者たちは準粒子（quasiparticles）を使用しました。これらの準粒子は、量子システムにおける相互作用を理解するための有用な代理です。実験では、研究者たちは正確な無線周波数を利用して原子のスピン状態を変更することに成功しました。絶対零度に近い十億分の一度の温度で、イェールの科学者たちは原子を非常に正確に制御し、フェルミの黄金則が機能する瞬間を観察することができました。ナヴォンはプレスリリースで次のように述べています。「私たちは量子力学で最も有名な公式の1つを実験にかけ、その有効性と無効性の状況を発見しました。これには多くの物理学者が十分に認識していない応用方法が含まれています。」
「私たちはこの公式を使用するすべての人に、まず深呼吸をし、自分たちの成分を確認するように伝えています。」この法則は化学、材料科学、半導体工学、量子計算などの多くの研究分野の科学者によって使用されているため、イェール大学が提供する指導は複数の分野の研究プロセスを加速するのに役立つでしょう。
ナヴォンはプレスリリースで付け加えました。「ある意味で、私たちは人々の意識を高めています。この公式は金色ですが、その仮定は決して当然視されるべきではありません。」研究結果は『ネイチャー・フィジックス』（Nature Physics）誌に発表されました。