Research

面白くて重要な研究がしたいです。 何が面白くて何が重要かに絶対的な指標は存在しないでしょうが、 私の中では「面白さ」とは「予想外な非自明さ」で、「重要」とは「学問への貢献」だと勝手に思っています。 理想的には、誰から見ても面白く重要だと言える研究を実現できるよう、今後も様々な研究者の方々と議論を重ね、理解を深めていきたいです。

知りたいことの中で最も広い関心は「"知ること"とは何か」です。 そこで、物理学においては「観測を通じて自然の情報をどのように抜き出すか」という点に強い興味があります。 そのため、現在は理論的研究を中心に行っていますが、過去には重力波検出器のような量子測定実験や重力波のデータ解析にも取り組んできた研究背景があります。 一方で、理論的にも一般相対性理論、平衡・非平衡場の量子論、エルミート・非エルミート量子力学など、知りたいことを知る上で必要であれば何でも使います。 科学の大きな二つの側面である現象の「説明」と「予言」に手段を選ばす貢献したいです。

宇宙の起源と進化の解明は、現代物理学・天文学における究極の課題です。 今日の標準的な宇宙像は、一般相対性理論と素粒子の標準模型を基盤とし、暗黒物質と暗黒エネルギーを含むΛCDMモデルと呼ばれる標準宇宙モデルによってよく記述されています。 これまで私は、重力波を共通の基盤として、理論・解析・実験の全領域を横断し、重力・宇宙論・天文学にわたる様々な研究に携わってきました。 特に「量子測定による重力理論の検証」を専門としています。 量子測定による精密測定を重力波などの重力現象の観測に応用することで、重力の性質や宇宙の進化の理解を目指しています。

以下では、私の研究領域と研究成果についての解説を記します。

重力理論と量子論

現代物理学は一般相対性理論と量子論という二つの理論を基礎としています。 「一般相対性理論」は、重力の基礎理論であり、マクロなスケールでの自然現象を記述します。 一般相対性理論では、重力は時空の動的な歪みであり、時空と物体が相互に影響を及ぼし合いながら発展します。 一方で「量子論」は、量子の基礎理論であり、ミクロなスケールでの自然現象を記述します。 「量子」とは重ね合わせやエンタングルメントといった量子的振る舞いを示す系を指します。 四つの基本相互作用のうち、重力以外の電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用は素粒子の標準模型と呼ばれる量子論の枠組みで定式化されています。 一般相対性理論と素粒子の標準模型を基盤とする「宇宙の標準モデル」は、インフレーションから現在に至るまでの宇宙の歴史を説明する上で重要な役割を果たしてきました。

しかし、高エネルギー領域においては、一般相対性理論は繰り込み不可能であり、重力と量子論の統一は未完成のままです。 特に、宇宙初期のようなプランクスケールに近い環境では、重力と量子論の統一的理解が不可欠であると考えられています。 また、観測からは暗黒物質や暗黒エネルギーといった標準モデルでは説明できない成分の存在も示唆されており、 重力場の未探査領域で宇宙の標準モデルを検証していくことが必要とされています。

量子測定と重力波望遠鏡

測定とは、物理系に対して観測を行い、その結果が得られる確率を与える操作を指します。 数学的には、状態を確率に写す線形写像である「効果」によって定式化されます。 量子測定は、量子系に対して行われる測定であり、状態は密度行列、効果は正値作用素(POVM)として表されます。 測定結果に応じて量子状態が変化するという特徴があり、この全過程は「量子インストルメント」と呼ばれる操作として記述されます。

量子測定の理論は、重力の観測的研究においても重要な役割を果たします。 重力は非常に弱い相互作用であるため、関連する情報を引き出すには極めて高精度な測定技術が必要とされます。 量子測定理論が重力実験に応用される代表的な例の一つが、機械光学系です。 これは、光と機械的な振動体（たとえば鏡）との相互作用を利用した測定系です。 レーザー光による照射が振動体に放射圧を加えることで、その位置や運動量などの物理量を読み出す仕組みになっています。 このような系では、測定に伴うバックアクションや量子雑音の取り扱いが不可欠であり、量子測定理論と密接な関係を持ちます。

重力物理学において、機械光学系による量子測定技術の最も成功した応用例の一つが、重力波望遠鏡です。 重力波とは、時空の歪みが波として伝播する現象であり、1916年にアインシュタインによってその存在が予言されました。 レーザー干渉計型の重力波望遠鏡では、光の干渉を用いて位相差を測定することで、重力波によって引き起こされるアーム長の微小な変化を検出します。 この測定は量子雑音（散射雑音や放射圧雑音）によって感度が制限されるため、スクイージング光の利用や量子非破壊測定といった量子光学技術が導入されています。 量子測定理論は、こうした測定装置の性能限界を理解し、感度をさらに高める上で重要な理論的基盤を提供しています。

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重力波天文学・宇宙論

重力波天文学・宇宙論は、重力波を観測対象とする天文学・宇宙論の一分野です。 観測された重力波の振幅や位相には、波源の天体物理学的な情報や宇宙論的な情報が含まれています。 例えば、ブラックホールや中性子星などのコンパクトな天体同士の合体であるコンパクト連星合体からの重力波には、距離、方向、質量、スピン、軌道、変形などの情報が含まれています。 したがって、重力波の観測によって得られた情報を用いることで天体や宇宙の構造・進化を探ることができるのです。

2015年にアメリカの重力波望遠鏡LIGOによって史上初めて重力波が直接観測されました。 観測された重力波のデータ解析の結果、太陽の30倍ほどの質量を持つブラックホール同士の合体によって生成された重力波であることが分かっています。 その後も、LIGOや欧州のVirgo、日本のKAGRAといった国際重力波望遠鏡ネットワークによって、数百のコンパクト連星合体イベントが検出されています。

現在は、より高感度な次世代地上検出器（Einstein TelescopeやCosmic Explorer）や、 低周波数帯で観測可能な宇宙望遠鏡（LISAやDECIGO、TianqinやTaiji）の計画が進行中です。 これらの望遠鏡では、より微弱な信号や異なる周波数帯域に対応する重力波を捉えることができ、 極端な質量比を持つコンパクト連星合体、中間質量ブラックホール同士の合体、さらには原始宇宙に由来する背景重力波など、多様な天体・宇宙現象の探索が期待されています。 また、電磁波や重力波などの観測を組み合わせることで、単独では捉えきれない天体や宇宙の構造を明らかにするマルチメッセンジャー天文学を展開できます。

私は、天文学や宇宙論において「重力波の観測からどのようにして天体・宇宙論的現象の情報を引き抜くか」という観点から様々な研究を展開しています。電磁波と重力波のマルチメッセンジャー観測によるType Ia 超新星の爆発機構や準周期的爆発現象(QPE)の起源の制限を評価するなど、コンパクト連星合体からの重力波解析を通じて天体の形成や進化を探る可能性を調べています。また、重力波検出器の軽量暗黒物質に対する応答を評価し暗黒物質のスピンの識別可能性を明らかにするなど、量子測定を活用した暗黒物質探査にも取り組んでいます。

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重力理論の検証

重力は宇宙全体の進化や宇宙の構造形成など巨視的な現象を支配する根源的な力です。 従来、一般相対性理論は太陽系実験や連星パルサー観測などによって、準定常的・弱重力場で検証されてきました。 しかし、その有効性が強重力場や宇宙論的距離スケール、さらには量子領域にまで及ぶかは未解明です。 近年の重力波検出器を含む量子測定技術の進展により、微弱な重力を高精度で計測できるようになり、 一般相対性理論を極限的な領域で検証することが可能になりつつあります。

そこで、私は「一般相対性理論はどこまで正しいのか」という問いに挑むべく、「古典的有効性の検証」と「量子的性質の検証」という二つの視点から「量子測定による重力理論の検証」を展開しています。

古典的有効性の検証

重力波の性質は、重力波源の情報だけでなく重力理論そのものにも依存します。 コンパクトな天体が合体すると、強重力場で重力波が生成され、宇宙空間を長距離伝播して重力波望遠鏡で観測されます。 したがって、観測された重力波の性質を理論的予言と比較することで、強重力場および宇宙論的な長距離スケールの二つの極限で重力理論の古典的有効性を検証できます。 このような検証は、一般相対性理論の検証と、それを拡張した理論の検証の二つに大別されます。 これらの手法により、超弦理論などの量子重力理論の候補から導かれる一般相対性理論の低エネルギー有効理論としての側面などが明らかになると期待されます。

私は、重力波の生成、伝播、観測の全過程に対応して、「生成過程における強重力場での検証」、「伝播過程における宇宙論的距離スケールでの検証」、「重力波望遠鏡の開発」の3つの観点から一般相対性理論の古典的有効性の検証を進めています。

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量子的性質の検証

実験室レベルの低エネルギースケールでは、摂動的に量子化された一般相対性理論が低エネルギー有効場の量子論として整合的であることが理論的に知られています。 しかし、一般相対性理論は古典理論として精密に検証されてきましたが、そのような低エネルギー領域でさえ重力が量子的に振る舞うことを示す直接的証拠は未だ得られていません。 近年では、量子測定技術の進展により、重力相互作用が関与する巨視的量子系を利用して、重力の量子的性質を 直接検証する試みが進められています。 例えば、重力の仮説的な量子キャリアである「重力子」の検出や、重力によって誘起されるエンタングルメント生成の観測など、様々な実験手法が提案されています。 これらの手法により、一般相対性理論の低エネルギー摂動的量子場の有効理論としての側面が明らかになると期待されます。

重力の量子古典遷移

宇宙は量子的揺らぎを伴って誕生しましたが、現在の宇宙は古典的な描像で記述されています。 このような宇宙の量子から古典への移行（量子古典遷移）の仕組みを解明することは、宇宙の起源と進化を理解する上で根源的な問題です。 物体は重力場と普遍的に結合するため、宇宙の古典量子遷移において重力場は重要な役割を担っていることが期待されます。 しかし、従来の研究は主に物質側の量子揺らぎに焦点を当ててきましたが、重力場そのものの古典化過程を体系的に扱う試みはほとんど存在しませんでした。

これまでの研究で私は、重力場を開放量子系として記述する「古典化重力理論モデル」を導入し、重力場自身の量子古典遷移を理論的に議論する基盤を築きました。 また、この理論モデルを放射優勢期に適用することで、インフレーション後の熱的環境が重力場の古典化を強く引き起こすことを示しました。 一方で、もし重力場が古典化により量子性を失うなら、その過程そのものが量子性検証の原理的限界を規定します。 量子的重力理論と半古典重力理論を繋ぐ「古典化重力理論モデル」は、宇宙の古典化描像と重力の量子性検証を結びつける新しい理論的視点を提供します。

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このように、重力理論の検証に主軸を置きつつ、宇宙論と天文学の諸課題にも積極的に取り組むことで、重力、宇宙論、天文学を横断する幅広い研究を通して宇宙の起源と進化の解明に多角的に迫りたいです。議論するのが好きだから研究をやっている節があるので、議論したいことがあってもなくても誰でも気軽にContactよりご連絡ください。