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真空のからくり | ||
| 著者 | 山田 克哉 | ||
| 出版社 | 講談社 | ||
| サイズ | 新書 |
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| 発売日 | 2013年10月18日頃 | ||
| 価格 | 1,210円（税込） | ||
| ISBN | 9784062578363 | ||
実に奇妙な話ではありますが、現在までのところ量子力学に違反する物理現象が一つも観測されていないことが、「真空のエネルギー」の存在を強固に下支えしています。（47ページ）
概要
必要な数式は、例によって山田さんの絶妙な解説で理解したつもりなのだが、量子力学の不思議な性質（概念？）を理解するには未だ時間がかかりそうだ。
アインシュタイン
オットシュテルン
一方、アインシュタインは、光を波ではなく粒子として扱うことによって光電効果を見事に説明し、その功績で1921年のノーベル物理学賞を受賞した（40ページ）。ここで、光子1個のもつエネルギーは \( E = hv \) だが、ゼロ点エネルギーはその半分だ。光子はそれ以上分割できないはず。これはどういうことだろうか？
ド・ブローイ
第2章から3章にかけて、何も無い真空からエネルギーを叩き出せることを紹介する。
ド・ブローイは、電磁波が質量のない光子という粒子として振る舞うなら、質量のある電子も波として振る舞うことを示し、両社の関係を \( 波動性 \approx \frac{プランク定数 h}{粒子性} \) という式で表した。
ここで登場するプランク定数 \( h \) は \(6.62607015 \times 10^{-34}m^2 kg/s \) という極めて小さい定数なのだが、なぜこれほど小さな値でなければならないのかは分かっていない。だが、これほど小さいがゆえに、原子が形作られ、また、目に見える大きさの物体は波として振る舞うことがないという結果をもたらした。
ド・ブローイは、電磁波が質量のない光子という粒子として振る舞うなら、質量のある電子も波として振る舞うことを示し、両社の関係を \( 波動性 \approx \frac{プランク定数 h}{粒子性} \) という式で表した。
ここで登場するプランク定数 \( h \) は \(6.62607015 \times 10^{-34}m^2 kg/s \) という極めて小さい定数なのだが、なぜこれほど小さな値でなければならないのかは分かっていない。だが、これほど小さいがゆえに、原子が形作られ、また、目に見える大きさの物体は波として振る舞うことがないという結果をもたらした。
ヴェルナー・ハイゼンベルク
ドイツのヴェルナー・ハイゼンベルクは1925年に量子力学を築き上げ、翌1926年にオーストリアのエルヴィン・シュレーディンガーが波動力学を提唱するが、やがて両者は同じ理論であることが分かり、そこから不確定原理が導き出された。不確定性原理によれば、量子は位置と運動量を同時に確定させることはできず、エネルギーと時間間隔を同時に確定することもできないという不思議な結論が導き出される。つまり、不確定性原理が許す範囲内でエネルギー保存則は破られる（65ページ）。ここに真空のエネルギーの秘密が隠されている。そして、その不確実さを示す式にもプランクの定数 \( h \)が登場する。
大型ハドロン衝突型加速器（LHC）
ファインマン図
第4章では、力が真空を伝わる仕組みとしてのゲージ場を説明する。
自然の力には、力の強さの順に、1）強い力、2）電磁力、3）弱い力、4）重力の4つが存在（120ページ）するが、いずれの粒子間の相互作用もゲージ粒子の交換によって発生する。そしてゲージ粒子は質量が仮想粒子で、相互作用する2つの素粒子から瞬時に創生または吸収・消滅する様子が、あたかも交換されるように見える（133ページ）。
自然の力には、力の強さの順に、1）強い力、2）電磁力、3）弱い力、4）重力の4つが存在（120ページ）するが、いずれの粒子間の相互作用もゲージ粒子の交換によって発生する。そしてゲージ粒子は質量が仮想粒子で、相互作用する2つの素粒子から瞬時に創生または吸収・消滅する様子が、あたかも交換されるように見える（133ページ）。
ポール・ディラック
このゲージ粒子が真空を攪乱する張本人（147ページ）であり、現実の現象を起こしているため、仮想だからといって無視することができない。たとえば、精密測定によって実測された電子磁石の強さは、完全無欠と考えられていたディラック方程式の結果より0.1％大きい。これが、周囲の真空が電子に影響与えているためで、仮想粒子は観測ができないから、計算によって求めるしかない。
エンリコ・フェルミ
第5章では、弱い力と質量の起源をめぐる謎を解き明かしていく。
ゲージ粒子が質量をもつと対称性が破れてしまう（178ページ）。この世のすべての素粒子は、フェルミ粒子かボース粒子のいずれかに属しており、スピン角運動量が整数かどうかで区別される。ゲージ粒子は全てスピン1のボース粒子。陽子や中性子、電子やクォークなど、原子の構成要素となっている素粒子はことごとくフェルミ粒子だ（189ページ）。
ゲージ粒子が質量をもつと対称性が破れてしまう（178ページ）。この世のすべての素粒子は、フェルミ粒子かボース粒子のいずれかに属しており、スピン角運動量が整数かどうかで区別される。ゲージ粒子は全てスピン1のボース粒子。陽子や中性子、電子やクォークなど、原子の構成要素となっている素粒子はことごとくフェルミ粒子だ（189ページ）。
ヴォルフガング・パウリ
標準模型
なぜ現在の宇宙に反粒子がないのかというと、粒子とその反粒子を比べた場合、弱い相互作用の生じ方に違いがあることが予測されている（203ページ）。弱い力を媒介するWボゾン（仮想粒子）の質量は、クォークやレプトンの質量よりもはるかに大きく（つまり、エネルギーが大きい）、不確定原理に従って存在できる時間間隔は極端に小さく、弱い力の到達距離は原子核の直径の1000分の1程度にとどまる。そして、弱い相互作用は、理由は分からないが、「左巻き」のフェルミ粒子だけを選り好みする（209ページ）。
第6章では、質量を生みだしたヒッグス粒子について解説する。
誕生直後の宇宙は完全対称性を保っており、4つの力は1つだったと考えられている。ところが、真空の相転移が起き、その完全対称性が自発的に破れた。このときヒッグス場が誕生し、弱い力を運ぶ3つのゲージ粒子は質量を獲得する。これを「ヒッグス機構」という（254ページ）。なお、真空の相転移によって発生したのはヒッグス場のみで、他の3つの場はこれと直接関係しない（251ページ）。
真空に相転移が起こったあとも光子だけは質量を得ないままで、光子が媒介する電弱相互作用は電磁相互作用と弱い相互作用に分かれてしまう（258ページ）。
しかし、実測された素粒子の質量とヒッグス場の導入によって理論的に得られた質量との一致を見たのは、弱い力を運ぶ3種のゲージ粒子だけで、他の粒子の質量は未だ解明されていない（271ページ）。
そもそも、現在の宇宙はエネルギーが最も低い状態なのか。将来、再び真空の相転移が起こる可能性はないのか――宇宙には、まだまだ分からないことが多い。
第6章では、質量を生みだしたヒッグス粒子について解説する。
誕生直後の宇宙は完全対称性を保っており、4つの力は1つだったと考えられている。ところが、真空の相転移が起き、その完全対称性が自発的に破れた。このときヒッグス場が誕生し、弱い力を運ぶ3つのゲージ粒子は質量を獲得する。これを「ヒッグス機構」という（254ページ）。なお、真空の相転移によって発生したのはヒッグス場のみで、他の3つの場はこれと直接関係しない（251ページ）。
真空に相転移が起こったあとも光子だけは質量を得ないままで、光子が媒介する電弱相互作用は電磁相互作用と弱い相互作用に分かれてしまう（258ページ）。
しかし、実測された素粒子の質量とヒッグス場の導入によって理論的に得られた質量との一致を見たのは、弱い力を運ぶ3種のゲージ粒子だけで、他の粒子の質量は未だ解明されていない（271ページ）。
そもそも、現在の宇宙はエネルギーが最も低い状態なのか。将来、再び真空の相転移が起こる可能性はないのか――宇宙には、まだまだ分からないことが多い。
レビュー
今後、真空の相転移が起きるかどうかは誰にも分からないのだが、もし起きたら世界が破壊されるという話はSFネタになっている。たとえばアニメ『宇宙戦艦ヤマト』における波動エネルギーが、それだ。本書ではコライダー（衝突型粒子加速装置）がその引き金となる噂に触れ、世界の各地で「コライダー建設反対運動」が起こっていることを紹介している。
![マイスナー効果 - [https://www.pahoo.org/athome/album/2016/album20160312-11.html:title=山梨県立リニア見学センター]](/athome/album/2016/img20160312-140830e.jpg)
超伝導におけるマイスナー効果は、何度か実験を見たのだが、光子が質量を得た結果起きる量子力学現象ということが分かったのは収穫だった。
2019年にキログラムの定義が、実体（原器）から物理定数に変更になった。質量については、まだまだ分からないことが多いようだ。真空は何も無い空間ではなく、分からないことだらけの空間である。
2019年にキログラムの定義が、実体（原器）から物理定数に変更になった。質量については、まだまだ分からないことが多いようだ。真空は何も無い空間ではなく、分からないことだらけの空間である。
（2023年11月20日 読了）
参考サイト
- 真空のからくり：講談社
- 『ホーキング 宇宙の始まりと終わり？ 私たちの未来』（スティーヴン・ウィリアム・ホーキング/向井国昭，2008年10月）
- 『大人が知っておきたい物理の常識』（左巻健男/浮田裕，2015年12月）
- 『宇宙は「もつれ」でできている』（ルイーザ・ギルダー/山田 克哉，2016年10月）
- 『超巨大ブラックホールに迫る』（平林久，2017年02月）
- 『時間は存在しない』（カルロ・ロヴェッリ/冨永 星，2019年08月）
- 『宇宙はなぜ哲学の問題になるのか』（伊藤 邦武，2019年08月）
- 『宇宙の終わりに何が起こるのか』（ケイティ・マック/吉田 三知世，2021年09月）
- 『宇宙はなぜ物質でできているのか』（小林 誠，2021年10月）
- 『宇宙を支配する「定数」』（臼田 孝，2022年02月）
- 『宇宙検閲官仮説』（真貝 寿明，2023年02月）
- 『宇宙最強物質決定戦』（高水 裕一，2023年02月）
- 『時間の終わりまで』（ブライアン・グリーン/青木 薫，2023年05月）
- 『宇宙・0・無限大』（谷口義明，2023年06月）
- 『重力のからくり』（山田 克哉，2023年08月）
- 西暦1905年 - 「特殊相対性理論」の発表
- 西暦1935年 - シュレーディンガーの猫
- 西暦1964年 - 宇宙背景輻射の発見
（この項おわり）
