やさしい物理講座ⅴ111「『統一場理論』の帰結：『重力（引力）が物質に作用（介在）し、熱エネルギーと温度による斥力を生む』」

　表題の『統一場理論』を難しく考えないでそれぞれの電磁気力や重力（引力）はそれぞれの物質（分子・原子・電子）の質量に作用して斥力などの引力などと反対の力を生み出す現象に着目すると自ずと帰結が導きだされる。つまり『重力（引力）が物質に作用（介在）し、熱エネルギーと温度による斥力を生む』「統一場」的な現象を自然現象で眼にする。

反物質にも重力が働く。反物質とは、ある物質と比して質量とスピンが全く同じで、構成する素粒子の電荷などが全く逆の性質を持つ反粒子によって組成される物質。
例えば、電子はマイナスの電荷を持つが、反電子（いわゆる陽電子）はプラスの電荷を持つ。中性子と反中性子は電荷を持たないが、中性子はクォーク、反中性子は反クォークから構成されている。引力をもつ重力に対する反重力という斥力は今のところ発見されていない。ただ、物質を介する重力の引力作用による斥力という作用現象が起こる。
重力による物質に圧力を生み出し、分子の運動エネルギーが発生しそれが温度という斥力を生み出す。重力が作り出す斥力には物質が介在するのである。重力により光が曲がるという現象も重力が作り出す宇宙空間ガスの濃度が作り出す光の屈折である。光が重力により曲がるのではなく、そこには物質が介在して屈折現象を作り出している。

かつては温度と熱の概念の区別が明確にされていなかった。温度と熱の違いに初めて気が付いたのはジョゼフ・ブラックであると考えられている。ブラックは氷が融解している最中は熱を吸収しても温度が変化しないことを発見した（潜熱）。また温度の違う同質量の水銀と水を混ぜる実験を行い、それぞれ水と水銀の温度変化にある定数を掛けた量が常に等しくなることを発見した。これは熱容量の概念であり、温度変化に乗ずる定数が熱容量に相当し、常に等しくなる量は移動する熱量である。これらの実験により温度と熱が異なる概念であることが確立された。

原子、分子レベルにおける温度の意味については、ジェームズ・クラーク・マクスウェルの気体分子運動論によって初めて明らかとなった。気体分子の並進運動の速度分布はマクスウェル分布に従い、この分布関数の形状は温度に依存している。特に気体分子の並進運動エネルギーの平均値は3/2 kT（k:ボルツマン定数、T:熱力学温度）となり、温度に比例する。すなわち温度は分子の並進運動の激しさを表す数値でもある。このためプラズマ中のイオンや電子の持つ平均運動エネルギーを温度で表現することがある(プラズマ中のイオンや電子は並進運動の自由度しか持たないからである）。この時は通常平均運動エネルギー = kTとなる温度Tによって表現する。

ルートヴィッヒ・ボルツマンはこのマクスウェルの考え方を発展させ統計熱力学を構築した。統計熱力学では、あらゆる形態のエネルギーにこの考え方が拡張されている。温度が高いほど高いエネルギーを持つ原子や分子の割合が大きくなり、原子や分子の持つ平均エネルギーの大きさも増加する。このように統計熱力学において温度は分子の並進運動エネルギー分布の仕方を表す指標である。

量子論が確立してくると、古典的な統計熱力学は量子統計の近似であることが明らかとなった。古典論においては0 Kにおいてあらゆる粒子は運動を停止した最低エネルギー状態をとることになるが、量子論においては粒子は0 Kにおいても零点エネルギーを持ち静止状態とはならない。この物理現象は零点振動と呼ばれている。また、ボース粒子のエネルギー分布はボース・アインシュタイン分布、フェルミ粒子のエネルギー分布はフェルミ・ディラック分布となる。フェルミ粒子においてはパウリの排他原理により、絶対零度においても古典論では数万 Kにも相当するような大きなエネルギーを持つ粒子が存在するが、これは、エネルギーを上式のkTに代入して温度と見なしたことによるもので、真の温度を示しているのではないことに留意することが大切である。したがって、温度が分子の並進運動エネルギー分布の仕方を表す指標であることは古典統計と変わっていない。

重力が作り出す仕事は間接的に色々なエネルギーに変換されて（エネルギー保存則）いる。
重力がないと宇宙の銀河の活動や我々の生活にもなくてはならない力として役立っている。力の統一場理論は物質を介して互換性がある。その互換性を以て力の統一理論と明言できるのではなかろうか。今回はそのような報道記事を紹介する。

　　　　　皇紀2684年8月3日
　　　　　さいたま市桜区
　　　　　理論物理研究者　田村　司

重力の斥力の考察記事