素粒子の話

物質の最小単位(素粒子)とは何でしょう？

私たちの身の回りにあるものはすべて、陽子と中性子から成る原子核のまわりにいくつかの電子が取り囲んだ原子やイオンから出来ています。そうすると、あらゆる物質は陽子・中性子・電子だけで出来ているのでしょうか？

電子はある意味で最小単位といってもいいでしょう。しかし、陽子や中性子については、必ずしも最小単位とはいえません。また、陽子や中性子の仲間は、現在では他にもたくさん見つかっています。標準理論といわれる枠組の中では、これらは６種類のクォークという粒子の組合せで説明されます。

クォークの種類

電荷	第１世代	第２世代	第３世代
2/3e	upクォーク(u)	charmクォーク(c)	topクォーク(t)
-1/3e	downクォーク(d)	strangeクォーク(s)	bottomクォーク(d)

さて、この表にある2/3eや-1/3eの電荷とは何でしょうか？

電荷には最小単位があり、素電荷と呼ばれます。素電荷は、電子の電気量と同じ大きさをもつ電荷で、これ以上小さい単位のものは見つかっていません。ここで、eで表したのは素電荷の電気量のことです。しかし、最小単位だと書きましたよね。なのに、クォークはその2/3倍とか1/3倍とか中途半端な値の電荷をもっています。一見、矛盾するようですが、そうではありません。

クォークを単独で取り出すことは出来ないのです。クォークは２つまたは３つの組合せを作り、全体としての電気量が素電荷の整数倍となる形でしか、存在できないと考えられています。

３つ組で整数になるのはわかると思いますが、2/3と-1/3のみの組合せを考えたときに２つで整数になるのでしょうか？

実は、クォークには反対の符号をもつ反粒子が存在しており、それを考慮すれば、2/3+1/3=1などの整数値をとり得るのです。

最初にクォークという粒子と書きましたが、もちろん量子力学で扱わなくてはならないスケールの話ですから、正確には波と粒子の両方の性質をもった量子と書くべきでしょう。そして、量子力学的には、観測できない構造は物理量として定義できないので、クォークが単体で取り出せない以上、わかりやすくモデル化したにすぎません。

ところで、上の表には、電子が含まれていません。電子は、レプトンと呼ばれる素粒子の一種で、他にも同じような性質をもっているμ粒子(ミューオン)とτ粒子(タウオン)という仲間がいます。

レプトンの種類

電荷	第１世代	第２世代	第３世代
-e	電子(e)	μ粒子(μ)	τ粒子(τ)
0	電子ニュートリノ	μニュートリノ	τニュートリノ

この表は、クォークの表に非常によく似ていますね。upクォーク、downクォーク、電子、電子ニュートリノを１組と考えると、それと同じような組合せが３世代連なっているように見えます。自然な発想として、第４世代はないのかという疑問が湧いてきますが、この問題はすでにほぼ決着がついており、第３世代までで終了と考えられています。

クォークがなぜ３つ組や２つ組でしか存在できないのか、またニュートリノって何なの？など、いろいろと疑問点が残りますが、その辺についてはまた別な機会に説明しましょう。

量子力学の話

私たちは、そこにものがあるということをどのようにして知ることが出来るでしょうか？

自分の眼に見えるものだけがすべてではないし、音に聞こえるものだけがすべてではありません。また、手で触って感じるものだけがすべてではなく、匂いを感じるものや味のわかるものだけがすべてではありません。さらに、頭の中で想像できるものだけがすべてではないのです。

原子よりはるかに小さい世界を考えるとき、観測するということの意味を深く考えなければいけません。眼で見えないものや触ることのできないものがそこに存在するということを証明するのは非常に難しいことです。

1920年代の物理学者たちが創造した量子力学では、測定できないものを勝手に想像することを放棄しています。測定可能なものだけを説明するために、根底から考え方を改めたのです。光が波と粒子の両方の性質を示す事実を知り、波なのか粒子なのかということを問うことをやめて、そのいずれでもないのだと開きなおったわけです。そして、量子という新しい概念を創り出しました。

測定可能な物理量だけを説明するために、さまざまな数学的なアプローチを試みました。その結果、観測対象となるものには常に波動関数という量が付随しており、ある物理量を観測するということはその波動関数にその物理量に特有な操作を行うことであるという概念に達しました。観測結果は、その操作を行った結果として現れる数値だということです。

それでは、観測対象(物体)に付随している「波動関数」なるものの正体は一体何なのでしょう？

これは、その観測対象(物体)が存在する確率を表すものだと考えられています(実際には波動関数の絶対値の２乗が確率に相当しますが)。この考え方こそ、かつてアインシュタインが死ぬまで認めなかったことなのです。というより、アインシュタインが認めたくなかったのは、観測できないものを放置してしまうことだったのかも知れません。科学の革命を起こした張本人ですが、最後は非常に保守的だったようですね。

科学が進歩して、すべての真実が明らかになったとき、やはりアインシュタインの方が正しかったということになるかも知れません。しかし、量子力学とそこから発展した理論は、これまでのどんな理論よりも高い精度で物理量の値を予測し、それが今日に至るまで実証され続けているのです。

不確定性原理の話

映画を観ているとき、その中の風景や人物は普通に動いているように見えます。映像のスピードが速くなると、速さはある程度正確にわかるようになりますが、位置の情報が徐々に失われてきます。逆に、映像をゆっくりにしていくと、位置はある程度正確にわかるようになりますが、速さの情報が徐々に失われていきます。

ミクロの世界では、現実にこれと同じような現象が起こっています。原子核に束縛された電子の速さ(あるいは運動量)を測定しようとすると、位置の情報が失われて「この範囲」にあるということしかわからなくなります。こうした情報のあいまいさを不確定性といい、位置と速さ(正確には運動量)などの１組の物理量の不確定性を考えたとき、それらの積がプランク定数と呼ばれる量の数倍前後に保たれることを不確定性原理といいます。不確定性原理は、位置と運動量の組合せだけでなく、時間とエネルギーの組合せでも成り立ちます。

そこで、時間とエネルギーに不確定性原理が成り立つとすると、次のようなことが考えられます。つまり、非常に短い時間なら何もないところにエネルギーが生じる可能性があるということです。これは、(相対性理論によれば質量とエネルギーは同等ですから)何もないところに質量をもった物体が現れる可能性があるということを意味しています。

このような「物体」は仮想粒子と呼ばれ、実際には観測できませんが、私たちの住む宇宙は、このようなエネルギーのゆらぎの中から生まれたといわれています。いわば、この宇宙は「無」から生じたのです。さらにいえば、宇宙は常に生まれていて、ほとんどの宇宙は一瞬で消え去り、その中で比較的安定した宇宙が私たちの住む宇宙へと発達したのだという説もあります(多元宇宙論)。