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【世界とは何か】1.世界は何で出来ているのか ー 1−2.素粒子

1−2.素粒子
 「世界は何でできているのか」という問いの答えとして、アラビア・ヨーロッパでは18世紀になるまでアリストテレス四元素説が信じられた。中国では四元素説とよく比較されることの多い五行説(木・火・土・金・水)が支持された。
 18世紀頃、ヨーロッパでは錬金術を元にする化学実験が盛んだった。錬金術が発展してくると、金や銀などのある種類の物質は他の物質からはどうがんばっても合成できないことがわかってくる。ボイルは、種類の異なる物質はそれぞれ異なる構成要素でできていると考え、元素の存在を予言した。質量保存の法則により元素の存在は支持され、ドルトンによって近代的な原子論が唱えられた。その後、原子は実験により次々と発見されていった。現在(2018年)、118種類の原子の存在が認められている。
 19世紀後半以降の電磁気学量子力学の確立は、原子は物質の最小単位ではないことを示した。ラザフォードは、金箔にアルファ粒子をぶつける実験を行うことで、原子の中にプラスの電荷をもつ原子核の存在を発見した。その後、原子は原子核と電子という内部構造をもち、原子核は陽子と中性子、陽子と中性子クォークでできている、といった具合に、物質の最小単位を求める研究は飛躍的に発展していった。
 現代では素粒子と呼ばれるものが最小の物質と考えられている。20世紀の物理学の飛躍的な発展の成果として、物理学の金字塔とも称される「標準理論」がつくられた。標準理論は素粒子を軸にして「世界は何で出来ているのか」、「どんな法則に支配されているのか」をまとめたものである。標準理論は、世界の根源を探る物理学者たちのロマンの結晶だといえる。
 標準理論は宇宙の真の姿を表す美しい理論なのに、日本のほとんどの人達は知らない。僕自身、自分で興味をもって調べてみて初めて素粒子論や量子力学を知った。高校までの義務教育では、運動方程式や運動エネルギーなどのニュートン古典力学までしか習わず、相対性理論量子力学素粒子論を教えてもらえないためだ。多感な青年時代に世界の真の姿を習うことができないのは残念な気がする。古典力学と相対論・量子論は、考え方が大きく違うので、素粒子論を理解することが余計に難しくなってしまっている。相対論や量子力学は次節で知ることにして、この節では素粒子論の概要を知ることにしよう。
 

 図1に、標準模型に含まれる17種類の素粒子の一覧を示す。素粒子の一番大きな分類はフェルミオンとボソンである。フェルミオンはおもに物質を形作る素粒子である。対してボソンは、電磁気力や重力などの場によって働く力のもとになるもの、つまるところ力の正体と考えればいい。フェルミオンとボソンはパウリの排他原理でも区別される。要するにフェルミオンは同じ場所に重ね合わせることができず、ボソンは重ね合わせることができる、という法則だ。フェルミオンが同じ場所に重ね合わせることができたらりんごのある場所にりんごを置くということができてしまうようなものなので、まあ、当たり前のことをいっているのだ。ちなみにパウリの排他原理は化学でも扱われており、「ひとつの電子軌道にはスピンの異なる二つの電子しか存在できない」という法則で使われている。
 

 

 

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図1 標準模型

 https://ja.wikipedia.org/wiki/素粒子

 

 フェルミオンクォークレプトンに分類される。クォークは陽子や中性子を構成するもので、レプトンは電子やニュートリノという単体で存在する粒子のことだ。クォークハドロンという複合粒子(陽子や中性子)を構成して存在している。実はクォーク単体で観察されたことはほとんどなく、ハドロンの観察結果からクォークの性質を推論している。単体で存在できないのは、「クォークの閉じ込め」と呼ばれる現象のせいだ。「強い力」を伝えるグルーオンというゲージ粒子クォーク同士をくっつけており、グルーオンを引き剥がそうとすると新たなハドロンが形成されるため、クォーク単体を取り出すことはできない。
 レプトンに含まれるニュートリノは、僕たちの空間を、1秒間に1平方センチメートルあたり660億個通り抜けている。こんなにあるのに気づかないのは、彼らが電荷をもたないからだ。電子は電荷をもつおかげで、反発しあい、物質を形作ることができるが、ニュートリノ電荷をもたないため物質をすり抜ける。レプトンは、クォークのように「強い力」でくっつけられることがない。
 クォークレプトンは、質量の大きさによって三世代にわけられている。第三世代から第一世代にいくにつれてクォークにとっては安定的な状態であるため、ほとんど第一世代しか存在しない。第二世代以降は加速器宇宙線などの高エネルギー状態でしか存在しない。

 物質を構成するフェルミオンに対して、ボソンは力を伝える粒子だ。ボソンはさらにゲージ粒子ヒッグス粒子に分類される。ゲージ粒子は、フェルミオンをくっつけて世界を形作る4つの力の元になるものだ。実は、世界には力は4つしかない。①電磁気力②重力③クォークをくっつけてハドロンをつくる力(強い力)④粒子の崩壊を促す力(弱い力)。僕たちの世界でものが動く原因は、小さく遡っていくと、この4つの力しかないのだ。そして、これらの力はすべてゲージ粒子という素粒子の交換がなされることにより生み出されている。「力」と「力を伝える素粒子」の関係を図2に示しておく。これら4つの力は、ゲージ理論という粒子が力を媒介するという考え方の理論において基本相互作用という名称で呼ばれている。
 ヒッグス粒子は、2012年に発見されたというニュースが記憶に新しい。ヒッグス粒子は、物質に質量を与える粒子として知られている。前述した4つの力のうち、弱い力は他の力に対して近くの対象しか届かない。この理由を説明するのに考え出されたのがヒッグス粒子だ。弱い力を運ぶウィークボソンヒッグス粒子にぶつかることで距離が短くなる。ぶつかるときのエネルギーが質量になるというわけだ。ヒッグス粒子は電子にも衝突するため、電子は質量をもつと考えられている。
 驚くことに、「世界は何でできているのか」という問いには、物質を構成するものだけでなく、「力」も入るのだ。力の正体が物質であると考えるのは、僕たちには理解しにくい。力を粒子の交換だと考えるためには「場」の考え方が必要になる。

 標準理論で扱う素粒子の世界は宇宙全体から観るとほんの一部(5%)にすぎないことがわかっている。僕たちは、「世界が何でできているか」という問いに科学的に答えを見出したかに見えたが、実際はまだまだわからないことだらけだということだ。

 この節では、「世界は何で出来ているのか」という問いに対して、世界の物質を構成する最小単位、というものを考えることで解答してきた。古代においては、物質の根源の探求は哲学の領域だった。二千年の時を経て物理学は発展し、科学的手法で素粒子という、物質の最小単位を発見した。結果、世界には物質を構成するものだけでなく、力を伝えるための粒子も存在することがわかった。となれば、世界を支配する法則について見ていくことが必要だろう。次節では、世界を支配する法則について知っていくことにしよう。

 

参考文献

https://ja.wikipedia.org/wiki/素粒子

http://www.sic.shibaura-it.ac.jp/~a-hatano/a-hatano/education-BC_files/基礎化学1原子論-.pdf
https://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/elementaryparticle/index.html
https://wired.jp/2012/07/06/what-can-we-do-with-the-higgs-boson/

『宇宙は何でできているのか』村山斉著 

https://www.amazon.co.jp/宇宙は何でできているのか-幻冬舎新書-村山-斉/dp/434498188X

 

http://physics.blog.aerie.jp/entry/2014/12/03/000000

 

【世界とは何か】1.世界は何で出来ているのか ー 1−1.万物の根源をめぐる古代の戦い

 世界を理解するための方法の一つとして、「世界は一体何で出来ているのか」と考える方法ある。現代では小中学生でも、物質は百十数個の原子が分子をつくり、様々な物質になっているということを知っている。最近ではクオークニュートリノなんていう言葉もメジャーになってきたので素粒子論を知っている人も多い。だから、世界は共通の目には見えない小さな物質で出来上がっているのだ、という考え方はわりとすんなり受け入れてられているのではないだろうか。
 しかし、世界のあらゆる物質が肉眼ではみえないような共通の物質で成り立っているのではないか、という考え方は決してメジャーな考えではなかったようだ。たしかに、僕たちがいま目の前にあるコップをみて「これは『コップ』というひとつの物質ではなく、別のものでできているのだ」と考え、さらにまわりの景色をみて「机も箪笥も庭も木も、コップと同じ物質でできているのだ」と考えることはなんだかトンチンカンに思える。

 あらゆる物質は共通の最小単位で構成されていると考え始めた人は古代ギリシャの哲学者だといわれている。古代ギリシャ時代はとにかく有名な哲学者が多い。その理由は奴隷制のおかげで仕事や雑務に追われることなく思索に耽ることができたからだとよくいわれる。村上春樹はデビュー作『風の歌を聴け』でこんな文章を書いている。
”もしあなたが芸術や文学を求めているのならギリシャ人の書いたものを読めばいい。真の芸術が生み出されるためには奴隷制度が必要不可欠だからだ。古代ギリシャ人がそうであったように、奴隷が畑を耕し、食事を作り、船を漕ぎ、そしてその間に市民は地中海の太陽の下で詩作に耽り、数学に取り組む。芸術とはそういったものだ。夜中の3時に寝静まった台所の冷蔵庫を漁るような人間には、それだけの文章しか書くことはできない。そして、それが僕だ。”
奴隷制があるおかげで学問が発達するとするなら皮肉だ。これはある種のジレンマだと言えるだろう。奴隷制以外の理由として、イオニア地方など貿易の拠点となったところでは多くの異種文化と関わる機会があったため、それまでの価値観にとらわれない自由な考えをうむ風土が出来たというのがある。

 世界最古の哲学者といわれているタレスは、「万物は水である」と言った。それまでの人間の価値観は、例えばコップはコップという物質そのものであるとか、自然現象は神々の遊び、なんていう神話的な説明ばかりだった。タレスはそういった伝統的な神話の考え方に疑問を呈し、物質の共通項を探し、論理的にかつ全体を網羅する説明を考えた。アリストテレスは、このような哲学の基本となる論理的で全体志向の思考をもったのはタレスが最初だったとして、タレスを「世界最古の哲学者」と呼んだ。真理探求の哲学史タレスから始まったといわれる。
 しかし、万物は水だと考えるのはムリがあるだろ、とさすがに当時の人も思った。古代ギリシャではその後も「万物とは〜」をめぐる探求が行われた。哲学者らは万物の根源を「アルケー」と名付けた。万物の根源をめぐる探求は主にイオニア地方で行われたため、イオニア自然哲学と呼ばれる。以下の表に主な哲学者とアルケーを書きました。気になる方は各々調べてみてください。

哲学者

アルケー

タレス

アナクシマンドロス

アペイロン(限定を受けないもの)

ヘラクレイトス

(万物は流転する)

パルメニデス

(万物不変説)

デモクリトス

原子

ヘラクレイトス

エンペドクレス

火、水、土、空気

ピタゴラス

 

 「原子」を世界の最小単位と考えたのは古代ギリシャデモクリトスやレウキッポスだった。驚くことに、彼らの原子論は現代の原子論とよく似ていた。実際に原子の存在が科学的に考察されるようになったのは17世紀になってからだが、原子(Atom)の概念と語源はデモクリトスやレウキッポスの考えが元になっている。レウキッポスはデモクリトスの師匠にあたり、原子論を最初に提唱した。デモクリトスは師匠の考えを受け継ぎ体系を完成させた。
 デモクリトスの原子論は、ヘラクレイトスパルメニデスの考えをかけ合わせた理論だと考えるといい。ヘラクレイトスは「万物は流転する」と言った。ヘラクレイトスは、石が土になり、土が木になり、木がりんごになるといった観察から、万物はすべて変化するという共通点を見出したのだ。パルメニデスは、非存在から存在が生まれるのは矛盾だと考えた。りんごをどれだけ切り刻んでも小さくなったりんごになるだけだとして、万物不変説を唱えた。デモクリトスの原子論は、原子という最小単位が結合したり分離したりして世界は成り立っているという考えである。原子という存在を仮定することで非存在から存在が生まれるというパルメニデスの指摘に答えた。また、原子が「虚空」を飛び回っているとし、非存在を虚空という存在と考えた。このように、「変化しない原子」が、結合・分離することで「変化する」とし、ヘラクレイトスの万物流転とパルメニデスの万物不変を調停したのだ。デモクリトスは、人間も含めて世界のすべては原子の結合と分離によってなりたっているとし、「唯物史観」を唱えたことでも有名だ。

 

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 顕微鏡も加速器ももたない紀元前400年頃において既に、現在の原子とそっくりな原子論が唱えられていたのだ。しかし、当時は顕微鏡などあるはずもなく、19世紀になるまで原子の存在を確認されることはなかった。どちらかというとアリストテレスの4大元素(火・水・空気・木)という考え方が長らく支持されることになった。アリストテレスは、文字通り世界を制覇したアレキサンダー大王の家庭教師ということもあって絶大な影響力をもっていた。そのため、唱えた論が正しいか正しくないかあまり議論されることもないまま人々に受け入れられていったのだ。デモクリトスの原子論は二千年近く日の目をみることはなかった。

 

 

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参考文献

http://www.irohabook.com/arche

http://www.sic.shibaura-it.ac.jp/~a-hatano/a-hatano/education-BC_files/基礎化学1原子論-.pdf

http://matsuura05.exblog.jp/298279/

 

 

 

今週の発見、アイデア

スティーブ・ジョブズと舛岡富士雄は似たタイプの技術者。自分で実務はせず、方向性を示すことで仕事をする人。どちらも社内では嫌われ者。クラッシャー上司ともいえるかも。

・仕事ができる人の仕事のやり方にはいろんなタイプがある。普段何をやっているかわからないが核心をついた意見を出して方向性を示す人、締め切り間際に短期集中で結果を出す人、毎日規則正しく同じペースで仕事して長期的なプロジェクトで成果を出す人etc...。

・一万年前に人類が狩猟採集生活から定住生活に移行した出来事は農業革命と呼ばれ、その影響や原因には諸説ある。

・近視の原因が、近くのものを見続ける環境で生活することへの適応の結果(近業適応)だと仮定すると、近くのものを遠くに見せる遠視メガネ(凸レンズ)をかけて生活することで近視予防になるかも。

・たまたま通りかかった道で、ストリートミュージシャンがまさしく自分の過去の人生を表現した歌を歌ってくれていたらサプライズになるだろうなあ、とテレビで同様の企画をやっていたのをみて思った。

・近年のマインドフルネスやアドラー心理学の流行、労働環境改善の動きをみると、人々が幸せを感じながら暮らすための科学的な方法論(認知行動療法?個人心理学?)が確立され人々に浸透するのも遠くない未来だろうと感じる。

・成人式において騒ぐ若者が問題だと取り沙汰されるが、小学、中学時代の同級生と20歳で久しぶりに会ってきちんとしているなんてなかなかできることじゃないと思う。特に中学時代なんてスクールカーストやらいじめやらのおどろおどろしい人間関係が渦巻いていたわけだから、久しぶりにそんな時代の同級生と会ってまともな精神状態でいられるほど人間は強くないと思う。であれば、成人式で騒ぎ立てる若者を非難するなら、学校のシステムを批判するべきではないだろうか。