「何もない空間」は空っぽではなかった——ハイゼンベルクの90年前の予言に最強の証拠

「真空」と聞くと、何も入っていない空っぽの空間を思い浮かべます。学校でもそう習いますし、ふだんの生活ではそれで何も困りません。ところが1936年、量子力学の生みの親のひとりであるヴェルナー・ハイゼンベルクは、学生のハンス・オイラーとともに「真空は本当の意味では空っぽではない」という予言を残しました。それから90年。この予言を支持する、これまでで最も強い観測的な証拠が報告されました。

2026年8月5日付でNatureに掲載された論文で、ジョージ・ワシントン大学のレイチェル・スチュワート氏とライス大学のホア・ディン・ティ氏を中心とする国際チームが、地球からおよそ1万5000光年先にある特殊な星を使ってこの予言を検証しています。著者には京都大学の榎戸輝揚氏も名を連ねており、日本の研究者も関わった成果です。

1936年の予言と「真空複屈折」

ハイゼンベルクとオイラーの予言は、こういう内容です。空っぽに見える空間でも、実際には電子と陽電子のペア——「仮想粒子」と呼ばれます——が絶えず現れては消えている。ふだんはその影響がまったく表に出ないので、真空は空っぽに見える。ところが、とてつもなく強い磁場の中に置くと話が変わります。仮想粒子の振る舞いが磁場の向きに影響され、真空そのものが光の通り方を変えるようになる。具体的には、光の振動の向き（偏光）によって進み方が変わる性質を、真空が持つようになるというのです。

この現象は「真空複屈折（しんくうふくくっせつ）」と呼ばれます。複屈折というのは、方解石という透明な鉱物を文字の上に置くと文字が二重に見える、あの現象です。ふつうは物質が持つ性質なのに、強い磁場の中では「何もないはずの真空」までが同じ性質を示す——それがこの予言の核心でした。

地球では検証できなかった90年

問題は、必要な磁場の強さです。研究チームのマーカス・ロウワー氏（スウィンバーン工科大学）によれば、真空複屈折を検出するには、人類が地球上で作ってきたどんな磁場よりも1億倍以上強い磁場が必要になります。実験室では25年以上かけて検出を目指してきたプロジェクトもありますが、まだ成功していません。地球の設備では、そもそも土俵に上がれないのです。

そこで研究者たちが目をつけてきたのが、宇宙にある天然の超強磁場、マグネターです。マグネターは中性子星——太陽より重い星が一生の最後につぶれてできる、都市がすっぽり入るほど小さく高密度な星——の中でも、飛び抜けて強い磁場を持つタイプを指します。その磁場は地球の1兆倍以上。真空複屈折が起きるとすれば、ここしかないという環境です。

実は先行例もありました。2017年には、地球から約400光年の中性子星を可視光で観測し、真空複屈折の証拠らしき偏光が報告されています。ただ、この結果は別の解釈の余地があるとされ、決着には至っていませんでした。

2秒で1回転する星が見せた異常な偏光

今回の舞台は、マグネター「1E 1547.0−5408」です。約2.09秒で1回転しながら、電波とX線の両方を安定して出し続けるという、マグネターの中でも珍しい性質を持っています。チームはNASAのX線偏光観測衛星IXPE（同一のX線望遠鏡3台を搭載）を軸に、国際宇宙ステーションのX線望遠鏡NICER、オーストラリアのマリヤン電波望遠鏡（パークス天文台）を連携させ、2025年の春に140時間を超えるX線観測と電波観測を組み合わせました。

まず電波の解析から、この星の自転軸と磁場の軸はほぼそろっていて、しかも地球からはほぼ真上（磁極の側）から見下ろす格好になっていることが分かりました。この幾何学的な配置は、真空複屈折を探すうえで理想的でした。

そしてX線の偏光を測ると、数字が跳ね上がっていました。偏光の度合いは2キロ電子ボルトのX線で平均65％。自転の位相によっては80％近くに達します。これは似たタイプの天体で観測されてきた値のおよそ3倍にあたります。星の表面から出る光を標準的なモデルで計算すると、この星の配置では偏光がゼロ近くまで下がるはずのタイミングがあるのに、実際にはずっと高いまま。つまり、表面放射の理論だけでは説明がつかないのです。

ここで効いてくるのが真空複屈折です。星から出た光が、超強磁場に満たされた周囲の空間——磁気圏——を通り抜けるあいだに、真空そのものの働きで偏光の向きがそろえられていく。この効果を計算に入れると、観測された高い偏光が自然に説明できました。さらに、X線の偏光の向きと電波の偏光の向きが、どちらも星の大きな磁場構造に沿って同じように変化していたことも、光が磁気圏を通る途中で「そろえられた」ことを支持しています。つまり、何もないはずの空間が、実際に光へ働きかけていた——ハイゼンベルクの予言どおりの振る舞いが、90年越しに姿を見せたことになります。

ロウワー氏はこの結果について、理論がきちんと働いていて物理に壊れたところがないと分かる、少しほっとする話でもあると受け止めています。ルイジアナ州立大学のミケラ・ネグロ氏は、天体を研究するだけでなく、天体を道具として自然法則そのものを検証する段階に入ったのだと、この研究の位置づけを語っています。

決着までに残された課題

ただし、これで「真空複屈折が証明された」と言い切ることはできません。研究チーム自身も、今回の結果を「これまでで最も強い証拠」と位置づけており、確定にはさらなる観測と理論計算が必要だとしています。実際、同じIXPEのデータを別のグループが独立に解析した研究では、星の幾何学的な配置について異なる解釈もありうるとされていて、高い偏光だけでは決定打にならないという慎重な見方も出ています。

将来に向けては、より広いエネルギー帯でX線偏光を測る「GoSOX」という観測計画の構想もありますが、こちらはまだ検討段階で、実現が決まったわけではありません。当面は、IXPEによる追加観測と、より精密なシミュレーションの突き合わせが続くことになりそうです。

それでも、地球上ではどうやっても作れない環境を宇宙に見つけ、90年前の紙の上の予言を観測で試せるところまで来た、という事実は変わりません。2秒に1回まわる遠い星が、「何もない空間とは何か」という物理の根っこの問いに、いちばん近い答えを差し出しています。