『宇宙論』Turkey Seminar　第13回

　　　　　　　2004.8.7『Turkey Seminar』2-07

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みなさん　こんばんは。少し　ご無沙汰でした、、ね。
Dr. Pの『Turkey Seminar』の時間がやってまいりました。

　BOOK 2-06のラストに、次回（第13回目）は、
　　　　素粒子論的宇宙論−−宇宙創造の７日間−−の全体像に迫ります！

と約束していました。本日は、そこから再開です。

　　*******((((((((((((BOOK2第7回))))))))))*********　



☆★☆　それでは、前置き抜きに…第13回目の授業　開講します。
　　　　起立っ　礼ぃ　着服（コラ!?）

　　*****Turkey Seminar*****#013*****2004. 8. 7*****Dr. P*****

【2-07】　BOOK 2 ： 現代宇宙論の萌芽
　Sheet 13


　1927年、ハッブルは宇宙が膨張していることを発見しました。その時以来、私たちのア・プリオリな理性は、時を遡れば、はるか大昔には宇宙は小さな一点から爆発したのだ、という認識に達したのです。


　そして今、科学者たちは、宇宙はわずか一個の原子と比べても桁はずれに小さな一点から始まったのだ、と信じています。すなわち、開闢（かいびゃく）当初の宇宙は、それ自身がひとつの素粒子のようなものだったのだ！　宇宙と素粒子は、だから、宇宙＝素粒子という等式が成立するといっても過言ではないのだ、と。


　1960年代までの物理学者たちが、こうした認識に到達しなかったのは、今になってみれば不思議にも思えます。多くの素粒子物理学者たちが宇宙に目を向け始めたのは、ワインバーグの啓蒙書『宇宙創成はじめの３分間』からだったとも言われています。いわば、素粒子論的宇宙論というのは、ここ二十数年間の、そして現在も続いている物理学のパラダイムであると言ってもいいでしょう。

　しかし、科学者は哲学者ではありません。むしろ科学者は裁判官に似ています。証拠を要求するからです。事実と反する結論を導く理論は、容赦なく廃棄されます。いかに美しい理論でも、それが何の事実も説明しなければ、評価はされません。結局、この二十数年間に素粒子物理学者たちが宇宙へ目を向け始めたことには、歴史的な必然性があったのです。


　1968年にワインバーグとサラムが電磁力と弱い相互作用の統一理論を完成するまでは、宇宙のすべての力を一つの方程式で表わそうなどという“神の仕業”を企む物理学者などはほとんどいませんでした。あの20世紀最大の天才、アルバート・アインシュタインでさえ、そのことには失敗しているのです。

　だが、電弱統一がなされる一方で、強い相互作用の世界ではクォーク・モデルが信憑性を帯びてくると、必然的に素粒子物理学者たちの仕事は、強（強い相互作用）・電（電磁気力）・弱（弱い相互作用）の三力の統一理論へと向かわざるを得なくなったのです。（以下に説明の 『ゲージ理論』 参照）

　しかし、前述したように、科学というものは「証拠」、すなわち実験的事実を要求します。物理学者たちの悩みは、自分たちの仕事をサポートしてくれる加速器が次第に能力不足になることでした。クォークやウィークボソンといった予言された素粒子を発見するためには、莫大なエネルギーの加速器を必要とします。こうして、物理学者は山手線と同じ大きさの加速器（たとえば、SSC…Superconducting Super Collider ：米テキサス州の超大型加速器）を作るために、経済という現実問題に直面したわけです。最早SSC以上の加速器を建造することは、非現実的です。必然的に21世紀の素粒子物理の実験場は、宇宙そのものになっていくことでしょう。実験という側面からみても、今や、素粒子物理は宇宙と手を組まざるを得ないのです、、ね。

★現代物理学の考え方…３つのポイント： 　　　素粒子の世界について、おおざっぱなイメージを描くことは、それほど難しいこと 　　ではありません。そのために、押さえておくべき、現代物理学の考え方のポイント 　　を３つあげておきます。

１．質量とエネルギーは同等であること（相対論の結論）。 　　物質はエネルギー（光もその一形態である）に変換されるということを、私たちは原爆や 　水爆の核エネルギーという恐ろしい実例で知っています。 　　温度とは、エネルギーを別の目盛りで計ったものであるから、温度と質量は等価である 　と考えてもよいわけです（絶対温度の１度は、およそ10のマイナス43乗グラムの質量に 　等しい）。 　　たとえば、１兆絶対温度の空間では、物質の構成単位である陽子（ハドロンという重い 　素粒子の代表。私たちの身近な言葉で言えば「水素イオン」のこと）が光に変換されたり、 　逆に光の中から陽子が（反陽子と対になって）誕生したりしています。

２．この世界に存在するものは、粒子と波動の両方の側面をもっている 　　（量子論の基本原理）。 　　たとえば、光は電磁波という波であるが、光子という粒子でもある。 　　逆にエレクトロニクスの主役である電子（レプトンという種類の素粒子の代表）は、 　　マイナスの電気を帯びた粒子であるが、光と同じような波の性質ももっている。 　　波動として存在をとらえた時、物理学ではそれを「場」と呼びます。 　　たとえば、光は電場と磁場の振動そのものに他ならない。

３．素粒子は、数種類の対称性によって分類される 　　（素粒子論の基本原理）。 　　つまり、素粒子は人間などに比べれば、没個性的だといえます。たとえば、シェイクスピア 　という人間を定義することなど不可能ですが、電子という素粒子なら簡単です。 　　三つの属性で完璧に定義できるのです。 　　１．質量＝約9×10のマイナス33乗グラム　　２．電荷＝−１　　３．スピン＝1/2 　　　　……以上ですべてなんです。 　　対称性の意味とはこういうことです。上の属性をもつ電子に、ある仮想的な操作を加えて 　電荷を＋１にしたとします。すると、その粒子は陽電子と呼ばれる電子の反粒子になって 　いる。 　　また、電子に別のある操作を加えると、電荷が０となり、同時に質量もほぼ０となり、 　スピンはそのまま1/2であったとします。 　　これは電子が電子ニュートリノという素粒子に変化したことを意味します。 　　つまり、電子とニュートリノという素粒子は、同じレプトンという種類に属した粒子を別の 　側面から見ていると考えてよいのです。

　巨大な宇宙を観測することが、直接 素粒子論に与える実例を２、３紹介します。

１．　天体や星間ガスからのスペクトルを観測することによって、この宇宙が約75％の水素と25％のヘリウム、そしてその他のわずかな量の元素から構成されていることを、私たちは知っています。このヘリウムの存在量は、面白いことにニュートリノと呼ばれる素粒子の種類が４つ以下でないといけないことを要求するのです。最近の加速器による実験からは、ニュートリノは三種類しかないことが証明されたようです。


２．　次の例は、素粒子論でその存在を予言されてはいるが未発見の粒子、モノポールです。

　モノポールは、いわば磁石のN極やS極だけを単独にもった粒子ですが、これが本当に存在するかどうかは、銀河の磁場の観測から計算することができます。

　もしモノポールがこの宇宙に大量に存在するならば、銀河が磁場を消し去るはずなのに、じっさいには、かなりの強さの銀河磁場が観測されているから、モノポールはこの宇宙にはどうやらほとんど存在しないという事実が、素粒子論には突きつけられているわけです。


３．　もうひとつ紹介しておきます。それは従来の素粒子の理論によれば、太陽や地球や人間など、物質がこの宇宙に存在すること自体が不可思議な現象だということ。なぜなら、宇宙がすっきりした対称性をもって始まったとすれば、物質も反物質も同じ量だけあるはずであり、そうすると物質と反物質はぶつかり合うたびに光となって消滅してしまい、最終的にはこの宇宙には光だけが残ることになるはずです。それなのになぜ、私たちは存在するのか？　なぜ私たちの片割れである反物質の世界は存在しないのか？　宇宙における物質の存在という非対称性の解明は、素粒子論における一つの大きな謎として残されているのです。


　−−以上はほんの一部の例に過ぎません。要は、極微の世界を探る素粒子物理が、今や本気で巨大な宇宙の歴史と構造に興味を持ち始めたということ。いやいや、興味などというなまやさしいものではありませんね。宇宙の創造をすら解明し、神をもこの世界から駆逐してしまわんばかりの勢いの物理学者すら出現しはじめているのですから。。。

　−−それはまさに、現代の『創世記』の物語にほかなりません。。。。。『創世記』が、神の仕事を７日に分けたように、私たちは、現代の「神」たちが描く宇宙の設計図を、明確にいくつかのグループに分けて見ていこうと思います。ビッグバンとは何もかもが、いっしょくたに進行したわけではもちろんないのです。では、大変お待たせいたしました。いよいよ。。。。



●●素粒子論的宇宙論の全体像に肉薄してみます！

　【宇宙創造の７日間】

　宇宙創造の７日間を表す壮大なグラフを、次のように、頭の中に描いてみて下さい。

　　　　　　　 ←第１期→　　　←第２期→　　　←第３期→　 　 ←第４期→　　←第５期→

　　　　　　●横軸＝時間（10の指数(s)）　　　●縦軸＝温度（10の指数(K)）


横軸＝-44s←第１期→-35s←第２期→-33s←第３期→-10s←第４期→13s←第５期→18s

縦軸＝32K←第１期→27K←第２期↓22K↑→27K←第３期→15K←第４期→3.5K←第５期→


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1.　●横軸は、宇宙誕生の瞬間からの時間を「秒」の指数で左から→右方向へ表します。
　　 便宜的に、第１期から第５期に分けます。

　グラフの左端は実は宇宙誕生の瞬間ではない。ほとんど限りなく宇宙誕生に近いけれど、それでも宇宙誕生から10のマイナス45乗秒だけ時間が経っています。０．００００……（０が44個）……１秒後の宇宙というわけです。


（グラフの上端、左端）
　　・第１期…10のマイナス44乗秒（重力の分離開始）〜10のマイナス35乗秒（強と電弱の分離）

　　・第２期…10のマイナス35乗秒〜10のマイナス33乗秒（インフレーションによる超冷却）

　　・第３期…ビッグバン期…エネルギーの砂漠地帯
　　　　　　　　 10のマイナス33乗秒〜10のマイナス10乗秒（＝100億分の１秒）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 …ウィークボソンの分離（電と弱の分離）

　　・第４期…ビッグバン期…100億分の１秒〜30万年
　　　　　　　　 この間を細分すると：

　　　　　4-1:　10のマイナス10乗秒（＝100億分の１秒）〜〜〜〜10のマイナス8乗秒
　　　　　　　　 …ウィークボソンの分離（電と弱の分離）〜〜〜〜（クォークの閉じこめ）

　　　　　4-2:　10のマイナス8乗秒〜10のマイナス4乗秒（＝1万分の１秒）…（ハドロン期）

　　　　　4-3:　10のマイナス4乗秒〜10の0乗秒＝１秒　…（レプトン期）

　　　　 4-4:　10の0乗秒＝１秒〜200秒……ヘリウムの生成　（核融合）

　　　　　4-5:　200秒〜10の13乗秒＝10兆秒＝30万年…→→宇宙の晴れ上がり

　　・第５期…30万年〜10の17乗秒＝120億年
　　　　　　　　 〜10の18乗秒＝現在（グラフの下端、右端）

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2.　●縦軸は、宇宙の温度を絶対温度の単位の指数で上から下へ向けて表します。
　　（摂氏マイナス273度が絶対０度）　　
　

（グラフの上端、左端）
　　・第１期…10の32乗度K（重力の分離開始）〜10の27乗度K（強と電弱の分離）

　　・第２期…10の27乗度K〜10の22乗度K〜10の27乗度K（インフレーションによる超冷却）

　　・第３期…ビッグバン期…エネルギーの砂漠地帯
　　　　　　　　 10の27乗度K〜10の15乗度K＝千兆度K…ウィークボソンの分離（電と弱の分離）

　　・第４期…ビッグバン期…10の15乗度K＝千兆度K〜3000度K
　　　　　　　　 この間を細分すると：

　　　　　4-1:　10の15乗度K＝千兆度K　〜〜〜〜〜〜〜〜〜10の14乗度K
　　　　　　　　 …ウィークボソンの分離（電と弱の分離）〜〜（クォークの閉じこめ）

　　　　　4-2:　10の14乗度K〜10の12乗度K（＝1兆度K）…（ハドロン期）

　　　　　4-3:　10の12乗度K〜10の10乗度K＝ 100億度K…（レプトン期）

　　　　 4-4:　10の10乗度K〜10の9乗度K……ヘリウムの生成　（核融合）

　　　　　4-5:　10の9乗度K〜10の3.5乗度K＝3000度K…→→宇宙の晴れ上がり

　　・第５期…3000度K〜2.7度K＝現在（グラフの下端、右端）

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　つまり、宇宙は誕生時に非常に高温であって、その後第２期に奇妙な「へこみ」部分が少しだけあるが（Click Here 後述します）、その後時間が経つにつれて、グラフはおおむね直線的に冷えてきた、ということです。では、なぜ、このような直線状のグラフを描くことができたのか、といいますと、次の３つの点が挙げられます。


　１．宇宙が膨張している、という観測事実。それを敷衍して、宇宙は誕生からほぼ一定の割合で膨張したのだろう、というもっともらしい推測。

　２．宇宙の現在の絶対温度が、約2.7度という信憑性のある観測事実。

　３．宇宙の膨張は、風船の中の空気の膨張と同じように熱力学の法則に従うという考え方。


…すなわち、まわりから熱を加えずに、気体を急激に膨張させてやれば、気体の温度は下がる。このクーラーに使われている原理が、宇宙にも適用されているわけです。

　 前述したように、グラフの左端は実は、０．００００……（０が44個）……１秒後の宇宙というわけですから、このグラフを左方向にどんどん延ばしていけば、本当の宇宙誕生の瞬間の温度は無限大ということになります。



　さて、第３期の終わりまでで、宇宙の誕生からまだ100億分の１秒しか経っていない。第４期の中頃でようやく１秒が経過する。そして第４期と第５期の境目では、10兆秒、すなわち約30万年が経過している。第５期、すなわち現在までは、だいたい120億年ということになります、、ね。


　第３期と第４期が、いわゆるビッグバン期と呼ばれるものです。この宇宙誕生直後から30万年までの間に、宇宙の温度は10の27乗（！）度から3000度までに冷えて、その間、宇宙の大きさは１センチメートルから千光年にまで膨張したのです。


　現代の科学がもっとも確からしいことを言えるのは、ビッグバン期の後半である第４期である。不思議に聞こえるかも知れないが、私たちは宇宙の誕生直後から30万年後までの出来事のほうを、その後現在にいたるまでの120億年の出来事より、よく知っているのです。


　第５期とは、銀河が形成され星が生まれ、地球の生命が誕生・進化した時期です。科学は、星の誕生についてはかなり分かってきたものの、銀河の形成や生命の誕生に対しては、いまだに確かなことを言えない。ところが、一方で宇宙誕生後100億分の１秒からしばらくの出来事（その間に、さまざまな素粒子が創生された）を、まるでビデオに撮影したかのごとく語ることができる語り部が現れたのです。そのスターこそ、1960年代後半からの10年間ほどの時代に偉大な成果を上げた素粒子物理学なのです。


　1980年代になって、物理学者たちは第１期や第２期のことまで語り始めました。そして今では、宇宙の創造が話題となっています。私たちは、ともすれば、素粒子物理とか宇宙論とかいうと、何かとてつもないもの、とすべてをひとまとめにしてしまいがちですが、実はそうではありません。


　第１期の最後と第４期の初めは、時間にすれば100億分の１秒しか違わないが、宇宙の温度では、１兆倍もの違いがある。同じ水でも、摂氏０度の氷と摂氏100度の水蒸気では、まったく性質が違うことを思い浮かべてみれば分かります、、よね。まして、１兆倍も温度が違えば、その各々の状態を扱える物理学は、決定的に違って当然です。

　【実証宇宙から思弁宇宙へ】


　ここで、宇宙誕生にかかわる物理学からのアプローチの成果を整理してみます。

　第４期については、そのアプローチ方法はすでに確立された実証的な科学となっています。素粒子物理学の言葉で言えば、ゲージ理論、電弱統一理論、クォークを扱う量子色力学などがこれに当たります。

　第２期は、宇宙がビッグバン期に比べてもなお桁はずれの勢いで膨張した特殊な時期といえます。この時期は、インフレーション期と呼ばれています。この時期については、それが実在したと信じられるきわめて有力な状況証拠が見つかっています。

　しかし、第１期及び第０期といってよい宇宙創造の瞬間については、そのアプローチ法はまだ確立されておらず、思弁的といってもよい議論がなされている、というのが現在の偽らざる状況です。提出された理論を証拠づける実験的・観測的事実はひとつもなく、数学的処理ばかりが先行しています。しかも、その数学も、完成されたものではない。しかし、それにもかかわらず、この時期を記述する理論は、多くの物理学者を魅了しています。大統一理論、超弦理論（スーパー・ストリング）、超対称性理論などがこれに当たります。

　同じ素粒子論といっても、第１期を扱う理論と第４期を扱う理論では、その対象が桁違いに異なることは、すでに述べた通り。

　ここで第３期に目を向けてみましょうか。ここに巨大なギャップがあるのです。この第３期は、物理学者たちのあいだで素粒子の「砂漠地帯」と呼ばれています。この第３期では、目立ったことは何ひとつ起こらないらしいのです。見通しは明るくはないが、しかし「砂漠」と見えた場所にオアシスがないとも限らない。ここに着目して研究を続けている物理学者は堅実派とでもいえましょう。

　一方でおおかたの「短気な」夢追い物理学者は、砂漠地帯（第３期）などにあまり研究の時間を割かずに、一気に「本丸」を目指す。目標である強・電・弱の三力の統一は、砂漠地帯の向こうにあり、さらにそのはるか彼方に、重力を含めたすべての力の統一の幻影が見えているからです。今にして思えば、我が愛するアインシュタインの重力の統一という旅が、いかにも無謀なものであったかが、実感されます。さて、以上のような現状をふまえた上で、私たちは時間を逆に遡って、素粒子と宇宙の絆を繙（ひもと）く旅に出掛けることとしましょうか。

　

−−−−この続きは、次回に。　

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次回（第14回目）は、

　　●●『ゲージ理論』 とは何か？
　　　　　　　−ワインバーグとサラムの電磁力と弱い相互作用の統一理論−

　　●●ゲルマンの『クォーク理論』 と量子色力学：

　　　から始めます。

　　　乞う　ご期待！　


−−−That's All for Today ! So Long Everyone !

　　　（では、本日は、ここまで。）

By Dr. P
　　　E-mail : poesie@s5.dion.ne.jp
 　　　　 　URL : http://poesie.hp.infoseek.co.jp/

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