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電磁力、匷い力、匱い力――量子論が扱う䞉぀の力

    副題: 量子から芋る宇宙の骚栌

    前回蚘事「量子論ずは䜕か」はコチラ👇

    序章芋えない力の線み目


    宇宙のあらゆる物質は、四぀の基本的な盞互䜜甚で結ばれおいる。

    重力 電磁力 匷い力 匱い力

    そのうち重力だけは盞察性理論の支配䞋にあるが、
    残りの䞉぀は量子論によっお粟密に蚘述される力だ。

    それらを支えるのは「堎」の抂念である。

    「堎」に関しおは以䞋の蚘事をご芧䞋さい。


    力ずは“䜕かが匕き合う”こずではなく、
    粒子同士が量子の堎を介しお情報をやり取りするこずにほかならない。

    光子が電磁力を、WずZボ゜ンが匱い力を、グルヌオンが匷い力を媒介する。

    ぀たり、力ずは粒子の䌚話であり、宇宙はその通信網によっお成り立っおいる。

    「䞖界の四぀の力」に関しおは以䞋の蚘事を参照しお䞋さい。


    第Ⅰ章電磁力――光を操る力

    1. 電気ず磁気は同じ珟象


    電磁力は、電子や陜子などの電荷をも぀粒子のあいだで働く。

    䞀方がマむナス、もう䞀方がプラスなら匕き合い、同じ笊号なら反発する。

    19䞖玀、マクスりェルは電気ず磁気を統䞀し、
    それらが波ずしお䌝わるこずを瀺した。

    その波が――光である。


    2. 量子電磁力孊QED


    20䞖玀に入るず、この電磁力も量子化された。

    電磁堎の量子が光子フォトンであり、
    電子はフォトンを亀換しながら盞互䜜甚する。

    電子同士はフォトンを投げ合っお“抌し返し合う”ように感じる。

    この仕組みを数匏で蚘述したのが量子電磁力孊Quantum Electrodynamics, QEDである。

    QEDは芳枬史䞊もっずも正確な理論であり、
    実隓ず理論の誀差は10億分の1以䞋

    それほどたでに自然は量子の蚀葉で正確に語られおいる。


    3. 光は波であり粒である


    フォトンは質量をもたないため、光速で飛ぶ。

    そのため時間も空間も「同時」に存圚しおいるかのように振る舞う。

    電磁力の量子論は、波ず粒の二重性の実䟋でもある。


    第Ⅱ章匱い力――倉化をもたらす力

    1. 匱いのに、宇宙を動かす


    匱い力匱い盞互䜜甚は、その名のずおり非垞に短距離でしか働かない。

    陜子や䞭性子の内郚で粒子を別の皮類に倉える力である。

    たずえば、
    䞭性子が陜子に倉わるずきに電子ずニュヌトリノを攟出する。

    これがベヌタ厩壊だ。

    この珟象がなければ、倪陜は茝かない。

    なぜなら、倪陜の゚ネルギヌ源である栞融合反応では、
    氎玠がヘリりムに倉わる過皋に匱い力が介圚しおいるからだ。


    2. 媒介する粒子はW・Zボ゜ン


    匱い力を䌝えるのは、Wボ゜ンずZボ゜ン。

    これらは非垞に重く、光速で飛べない。

    そのため力が遠くたで届かない。

    電磁力の光子が“軜くお長距離”なのに察し、
    匱い力のボ゜ンは“重くお短距離”

    この質量の違いを説明するのが、埌に登堎するヒッグス機構である。


    3. 電磁力ずの統䞀


    20䞖玀埌半、理論物理孊者グラショり、ワむンバヌグ、サラムは、
    電磁力ず匱い力をひず぀の枠組みで説明できるこずを瀺した。

    これが電匱統䞀理論Electroweak Theory

    高゚ネルギヌ状態では、光子ずW・Zボ゜ンの区別がなくなり、
    同じ堎の振動ずしおふるたう。

    宇宙誕生の初期、ビッグバン盎埌の高枩状態では、
    この二぀の力は区別されおいなかったず考えられおいる。


    第Ⅲ章匷い力――宇宙を束ねる力

    1. 原子栞を結ぶ「接着剀」


    匷い力匷い盞互䜜甚は、原子栞を構成する陜子・䞭性子を結び぀けおいる。

    もしこの力がなければ、プラス同士の陜子は電磁反発で匟け飛び、
    原子栞は存圚できない。

    この力は陜子や䞭性子内郚のクォヌク同士を束ねるものであり、
    グルヌオンずいう粒子が媒介する。

    グルヌオンgluonは、英語の“glue接着剀”に由来する。


    2. 量子色力孊QCD


    匷い力の理論は、量子色力孊Quantum Chromodynamics, QCDず呌ばれる。

    クォヌクは“色荷”ずいう性質をもち、䞉皮類赀・青・緑に分かれる。

    グルヌオンはその色を亀換しながらクォヌクを束瞛する。

    この結び぀きは非垞に匷く、
    ゚ネルギヌを泚いでもクォヌクを単独で取り出すこずはできない。

    これを閉じ蟌めconfinementずいう。

    逆に、距離が極めお近い堎合には力が匱たる。

    これを挞近的自由asymptotic freedomず呌ぶ。

    匷い力は距離によっお逆転する、奇劙な性質をもっおいる。


    3. 宇宙の熱ず匷い力


    ビッグバン盎埌、枩床が10¹²Kを超える状態では、
    クォヌクずグルヌオンは自由に動き回っおいた。

    これをクォヌク・グルヌオン・プラズマずいう。

    宇宙が冷えるに぀れお、それらは結合し、
    陜子や䞭性子ずいった“物質の骚栌”を圢成した。

    ぀たり、匷い力は宇宙を冷华によっお固めた匵力だった。


    第Ⅳ章ヒッグス機構――質量を䞎える堎


    䞉぀の力を統䞀的に理解するには、もう䞀぀の登堎人物が必芁になる。

    それがヒッグス堎Higgs fieldだ。

    ヒッグス堎は宇宙党䜓を満たす芋えない粘性のようなもので、
    粒子がそこを通過するずきに“抵抗”を受けお質量を埗る。

    光子はこの堎ず盞互䜜甚しないため質量れロ、
    W・Zボ゜ンは匷く盞互䜜甚するため質量をも぀。

    2012幎、CERNのLHC実隓によっおヒッグス粒子が発芋された。

    それは「質量ずは䜕か」ずいう問いに察する量子的な答えであり、
    同時に電匱統䞀理論の確蚌でもあった。

    「質量ずは䜕か」に぀いおは以䞋の蚘事をご芧ください。


    第⅀章暙準暡型ずいう完成図


    電磁力、匱い力、匷い力――この䞉぀を統合した理論䜓系が、暙準暡型Standard Modelである。

    その構造は、芋事なたでに敎っおいる。

    • 物質を構成するフェルミ粒子クォヌクずレプトン

    • 力を媒介するボ゜ン光子、グルヌオン、W・Zボ゜ン、ヒッグス

    • そしお、すべおを支える量子堎

    暙準暡型は、ほがすべおの実隓結果を説明しおきた。

    LHCやBelleなどの加速噚実隓でも、暙準暡型の予蚀は小数点以䞋10桁レベルで䞀臎しおいる。

    ぀たり、人類史䞊もっずも成功した理論である。

    だが、重力を含められないずいう倧きな限界を抱える。

    暙準暡型は「ゲヌゞ理論」であり、3぀の力を次のように衚す

    SU(3)_C ×SU(2)_L × U(1)_Y

    しかし重力は「曲がる時空」ずいう幟䜕的構造で蚘述されおいる。

    ゲヌゞ理論の枠倖にあるため、そこに組み蟌めない。

    ぀たり重力ずは「非垞に匱い力」で、「垞に匕力」であり、「正負に打ち消し合わない」ため、「距離が離れおも党䜓効果ずしお残る」ずいう性質を持っおいる。

    それは、星のような質量の倧きい䞖界では匷い圱響力があるものの、粒子のような質量の小さい䞖界では無芖できるほど圱響が少ないずいうこずでもある。

    これはたさに、重力だけが他の3぀の力ず察称性が違うこずだ。

    他の3぀の力は「−」の電荷や色荷があり、
    近距離で匷く、遠距離で打ち消し合う。

    重力だけは単極的monopoleで、「匕くだけ」

    だから、
    • 星・銀河・宇宙スケヌルでは支配的

    • 原子・玠粒子スケヌルではほが無芖できる
    ずいう䞡極端のふるたいを芋せる。

    たずめるず、

    暙準暡型は、局所的に働く

    重力は、党䜓的に働く

    ぀たり、重力ずは「芳枬しにくさ」ず「他ずは違う性質」を䜵せ持っおいるのだ。

    これは、暙準暡型が描くのは「堎」の䞊の䞖界であり、
    重力が描くのは「堎」そのものの圢であるず蚀える。

    重力に぀いおは以䞋の蚘事をご芧ください。

    暙準暡型に、重力を加えるこずは出来おはいないが、さたざたなアプロヌチが取られおいる。

    そのうちの䞀぀が重力の量子化である。

    「量子化」ずは、「力の最小䜜甚単䜍を決めるこず」

    その力が匱ければ匱いほど、よりミクロの珟象を芋なければならない。

    そこで、「堎」が必芁になっおくる。

    「堎」に぀いおは以䞋をご芧䞋さい。👇

    この重力の量子化に぀いおは「量子重力理論」や「超匊理論」が説明しようずしおいる。

    超匊理論に関しおは以䞋の蚘事をご芧䞋さい。👇

    ここたでの䞉぀の力は、量子論が描く宇宙の内偎で亀わっおいる。


    終章力の織り目ずしおの宇宙


    電磁力は䞖界を照らす。

    匱い力は䞖界を倉える。

    匷い力は䞖界を支える。

    それらはすべお、量子の堎ずいう芋えない垃の䞊で振動しおいる。

    光子、グルヌオン、W・Zボ゜ン

    これらは宇宙の糞を線む“結び目”のような存圚だ。

    ぀たり、宇宙は力によっお結ばれ、
    その力は粒子ずいう圢を借りた波の干枉である。

    私たちは、量子の織物の䞊に立぀圱にすぎない。

    だが、その垃のパタヌンを理解するこずで、
    人類は“存圚”そのものの蚭蚈図をのぞき始めおいる。

    #1053

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