研 究 会・学 会 スケジュール
K3、Enriques曲面とその関連について

先生には磁石や超伝導といった身近な物質と、広大な宇宙で見られる現象の間にある普遍的法則について、
原田先生には物質を構成する最小単位である素粒子という極 微 世 界 の法 則について、それぞれお話をいた

近藤孝男先生学士院賞受賞記念シンポジウム「 生命の時をめぐって」のではないだろうか。理学懇話会は一般に公開されており、最近は高校生の参加が多い（ 今回は81 名 ）。一般

教授の方にもわかってもらえるように努めていただいたが、化学で学 位を取った私でも本 質まで理 解できたとはいいがたかった。
しかし、講演後に、活発に質問をする高校生を

kimura@math.nagoya-u.ac.jp ／ 052-789-2819

みると、面白さは十分に伝わったように思われた。機会が先端的電子顕微鏡技術を用いた生物研究の最前線

Frontiers in biological research with advanced electron microscope technologies
・16日（ 金 ）開 催 日 ： 2015 年 1月15日（ 木 ）開 催 場 所 ： 名古屋大学ES総合館ESホール
主催 ： 名古屋大学グリーン自然科学国際教育研究プログラム（ IGER ）問い合わせ ： 成田哲博 理学研究科 准教授
narita.akihiro@f.mbox.nagoya-u.ac.jp ／ 052-747-6473

あれば、ぜひ生の懇話会にもふれていただければと思う。
（ 加藤祐樹 ）表紙説明
クオーク、原子核、原子、分子、細胞、生物、

日本天文学会春季年会
企画セッション「 分子雲衝突と星形成 」

地球、太陽系、星雲、そして宇宙。自然界にはさまざまな階層が存在する。一方で極小の世界

開 催 日 ： 2015 年 3月18日（ 水 ）〜 21日（ 土 ）開 催 場 所 ： 大阪大学
主催 ：日本天文学会
問い合わせ ： 立原研悟 理学研究科 准教授

から極大の世界まで自然界は同じ法則によって支配されている。クオークから宇宙までサイズ

k.tachihara@a.phys.nagoya-u.ac.jp ／ 052‐789‐2839

を超えて存在する物理法則の世界をのぞく。

「 星間水素 」国際ワークショップ 2015

International workshop on interstellar hydrogen 2015
開 催 日 ： 2015 年 3月26日（ 木 ）〜 28日（ 土 ）開 催 場 所 ： 名古屋市
主
催 ： 名古屋大学大学院理学研究科附属南半球宇宙観測研究センター、
日本学術振興会科学研究費基盤（ S ）「 星間物質の精査によるガンマ線超新星残骸の探究 」
問い合わせ ： 福井康雄 附属南半球宇宙観測研究センター長
fukui@a.phys.nagoya-u.ac.jp ／ 052‐789‐2837

No .27

広報委員

篠原久典（研究科長）
松本邦弘（副研究科長）
杉山 直（評議員）
加藤
戸本誠（物理学科）加藤祐樹（物理学科）
萩原伸也（化学科）

理学部・理学研究科・多元数理科学研究科・環境学研究科（地球環境科学専攻）

多元数理科学研究科
多元数理科学専攻
理学研究科

杉山 伸（生命理学科）

関連施設等

附属南半球宇宙観測研究センター

花房

附属タウ・レプトン物理研究センター

古本宗充（地球惑星科学科）
斉藤

太陽地球環境研究所

素粒子宇宙物理学専攻

素粒子宇宙起源研究機構

化学科

物質理学専攻物質科学国際研究センター

生命理学科

生命理学専攻編集発行

附属臨海実験所

本誌の原稿執筆や取材などにご協力いただける方を求めています。
なお、
ご投稿などの採否については当委員会にお任せください。

生物機能開発利用研究センター

次号は2015年 4月頃発行の予定です。

附属地震火山研究センター
博物館

事務部

年代測定総合研究センター

技術部

地球水循環研究センター
減災連携研究センター

名古屋大学理学部・大学院理学研究科広報委員会〒464 -8602 名古屋市千種区不老町

広報委員会までご連絡ください。

遺伝子実験施設

地球環境科学専攻

肇（事務長）

ご意見、ご感想をお待ちしています。

附属構造生物学研究センター

環境学研究科洋（生命理学科）

エコトピア科学研究所

物理学科

地球惑星科学科

淳（数理学科）福井康雄（物理学科）※委員長

組織図

数理学科

autumn _ winter 20142014年10月30日発行

制作
編集協力
デザイン

株式会社電通株式会社コミニケ
株式会社ティ・エム・シー

・本誌記事、写真等の無断複写、転載を禁じます。

I S S N 1884 _ 8486

特集

ば、物理法則の普遍性の奥深さを感じ取っていただける

極 限の世 界 を 見 通 す 物 理の目

18 12 03 02 08 04
法 則 はサイ ズ を 超 え るの図にふれていただいた。あわせてお読 みいただけれ_磁 石 と 超 伝 導 と 宇 宙 を 結 ぶ 物 理 ◇ 佐 藤 憲 昭_極 微 世 界 の 基 本 法 則 ◇ 原 田 正 康・9日（ 火 ）開 催 日 ： 2014 年 12月8日（月）開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館セミナー室
主催 ： 木村芳文 名古屋大学大学院多元数理科学研究科
坂上貴之 京都大学大学院理学研究科 教授
問い合わせ ： 木村芳文 多元数理科学研究科 教授

立つ普遍性についてご説明いただき、記事でも、お互い_時 を 語 る も の〈 杉 浦 昌 弘 博 士 〉◇ 篠 崎 一雄
_理 のエッセ イ ◇ 竹 内 誠

流体方程式の構造と特異性に迫る数値解析・数値計算

だいた。お二 方にはさらにマクロとミクロの世 界で成り_理 の 先 端 をいく ◇ 諸 田 智 克 ／ 松 林 嘉 克 ／ 白 水 徹 也_理 学 部 交 差 点

開 催 日 ： 2014 年 11月22日（ 土 ）開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館坂田・平田ホール
発 起 人 ： 篠原久典 理学研究科 研究科長 ほか 6 名
問い合わせ ： 近藤孝男 理学研究科 特任教授
052-789-2963 ／ http://clock.bio.nagoya-u.ac.jp/web/

大学院研究科（専攻名）

27

今回の特集は、サイズを超えた物理法則である。佐藤K3, Enriques Surfaces and Related Topics
開 催 日 ： 2014 年 11月10日（月）～ 14日（ 金 ）開 催 場 所 ： 名古屋大学理学南館坂田・平田ホール
主催 ：日本学術振興会科学研究費基盤（ S ）「 格子、保型形式とモジュライ空間の総合的研究 」
問い合わせ ： 金銅誠之 多元数理科学研究科 教授
kondo@math.nagoya-u.ac.jp ／ 052-789-2815

理学部（学科名）

名古屋大学理学部･大学院理学研究科広報誌［理フィロソフィア］
autumn _ winter 2014

編 集だより時を語るもの◎ 理のエッセイ

杉 浦 昌 弘 博士 ＿ゲノム解 析 研 究 の 事 始 め

自然に学ぶ
竹内

誠

地球環境科学専攻教授

す ぎ う ら まさひろ

杉 浦 昌 弘（ 1936 _ ）名古屋大学名誉教授（ 2000 _ ）名古屋大学特別教授（ 2010 _ ）文化功労者（ 2009 ）Illustration: Ayako Taniyama

自然に学ぶ。この言葉は、地球科学科初代教授であり、私の研究室のA初代教授である故松澤勲先生が愛した言葉である。そして研究室の歴代教授たちもこの言葉を愛し、教育と研究の指針としてきた。自然科学に携わるB者の多くが、さまざまな自然現象と遭遇し、それを解明し、そして私たちは自然について学んでいくのである。古典的な地質学（あえて古典的とよぼう）は
山や川岸、海岸などに露出している地層や岩石を観察することから研究が始まる。数千万年、数億年とかけて形成された地層や岩石には当時の地球Cの環境や地殻変動などのさまざまな情報が記録されている。地質学者はその情報を取り出して、地球の営みを解明していくのである。まさに自然界に分け入り、自然と向きあい、
そして自然から学ぶのである。
最近は古典的な地質学による研究はめっきり減ってしまった。岩石試料（自分で採取してきたのならまだいいが、他人から譲り受けた試料の場合もある）
を高価な分析機器で分析し、データを出すことで満足し、自然を理解した気になってしまう。しかし、その岩石試料は自然界でどのように存在していたのだ
A 制限酵素切断部位
B イネの遺伝子C 切断断片DNA

高速シークエンサーを用いて多様な生物の遺伝情報を全体として理解するゲノム科学全盛の時代を迎えている。

の研究は光合成研究や葉緑体の起源に関して大きなイン
パクトを与えた。

◇写真の説明な津波 被害を想定 外といったが、そのような大 規 模な津波が過 去に仙台平野を襲い、仙台平野の地層の中に津波堆積物として証拠を残していたのに、私たちはそれを重要視しなかったのである。私たちが野外観察を軽視した地図。大きなゲノムDNAを、制限酵素で切断しために、自然から学ぶことができなかったのである。野外観察から始まる地質

その後、杉 浦 博 士は葉 緑 体の遺 伝 子 発 現に関して試

葉緑体ゲノムDNA解析に挑戦した偉大な先駆者である。

験 管内の再 構 成実 験 系を用いて詳 細に解 析を進めて新1970年代に高等生物の遺伝子解析の技術が急速に進歩しい分子メカニズムを次々と明らかにした。
「流行を追わずした。しかし、約 16万塩 基 対の DNA解読は当時の技 術に独創性の高い研究を展開する。そしてその研究を極めでは無謀ともいえる挑戦だった。1986年に発表したタバコる」。生命科学の研究の進展は早く、ともすれば流行を追葉 緑 体の全ゲノム配 列解 析の成果は葉 緑 体 研究を飛 躍

いがちな研究の風潮があるが、博士の独自の成果はこのよ的に進めただけでなくゲノム解 析から新 規 遺 伝 子の効 率うな信念に基づいて生まれてきたのだと改めて感じている。

断片試料をセットしている様子。当時はこうした的な発見に道を開いた画期的な研究成果となった。一連

（篠崎一雄

かけ、
ゲノム配列を読み解いていった。

02 時 を 語 るもの

立ちを正確には理解できないのである。先の東日本大震災で被った大規模

写真はイネの葉緑体ゲノムの制限酵素切断

杉浦昌弘博士は 1970年代後半に時代に先駆けてタバコ

理化学研究所環境資源科学研究センター長）

ろうか。その岩石試料の自然界での産状を確認せずには、その岩石の成りた小さなDNA断片にし、システマティックに配列を決定していった。
タバコでは10年（1976 _1986）
かかったゲノム配列の決定が、このような手法
をとることで、イネでは2年（ 1986 _1988）で配列を決定できた。A4レポート用紙を貼り合わせた学は古典的ではなく、地球科学の基本あるいは土台となる重要なものとして存在しなければならない。そして、より高度な分析・測定などを通して、さらに新しい事実を解明していくのである。
これが自然に学ぶ姿勢ではないだろうか。

切断地図は 3.8mにおよぶ。左上は杉浦博士
自身が設計したゲル電気泳動装置に、DNA装置を並べ、今では考えられないような時間を

1961年生まれ。1988年名古屋大学大学院理学研究科地球科学専攻博Makoto Takeuchi

士後期課程中途退学。同年通商産業省工業技術院地質調査所研究員。1995年名古屋大学理学部地球惑星科学科助手。同大大学院理学研究科助教授等を経て、2012年より現職。博士（理学）。専門は地質学。

No.27 autumn _ winter 2014

03

特集

極 限の世界を見 通す物理の目–

法則はサイズを超える –相転移から見えてくる世界

すべての物 質 世 界は物理法則によって語られる。
物質の質量を生み出すメカニズムを検証するため、高温度・高密度での陽子・中性子の性質の研究が進められている。
極限天体とよばれる超 高密度の天体内部では、
リニアモーターカーにも利用されている極 低 温で発 現 する超 伝 導と次に、相転移とは何かということを考えて

図1

みます。
水が水蒸気になったり氷になったりする

質的に同じ現 象が起きていると考えられている。
わたしたちが暮らす 世 界とは無縁に見える極限の世界にも実は基 本となる共 通の物 理 法 則が存 在 する。
極限の世 界を支 配 する物理法則を 2 人の研究者が読み解く。

気体酸素の液化

薄い銅製の容器の中に液体窒素が入れられると、容器の壁と接触した空気中の気体酸素は冷やされ、容器の底に液体酸素が生成される（左図）。これに線香を近づけると、激しく燃え上がる（中図）。純粋な液体酸素は水色をしており、磁石に引き寄せられる性質をもつ（右図）。

ことを、私たちは相転移とよんでいます。物理学的に同じことが宇宙でも起こったと信じられています。今から138億年前に始まった（ 2014年 6月 7日、第 23回理学懇話会より）

宇宙は、その後、どんどん冷えていったと考えられていて、途中で何回か相転移が起きたといわれています。

磁石と超伝 導と宇 宙を結ぶ物理銅でできた容器の中に液体窒素を入れます

図2（図 1）。すると底の部分に「水滴らしきもの」佐 藤 憲 昭 物 質 理 学専攻教授ができます。これに線香を近づけると線香は燃え上がります。何が起きたのかというと、
空 気中の酸 素が液 体になったわけです。

物理法則の見えざる手

相転移の模式図（ a）磁石は相転移温度（キュリー温度）より
低温では鉄釘を引きつけるが、キュリー温度より高温に温められると、その性質を失う。
（ b）キュ
リー温 度より低 温では、す べての方 位 磁 石（原子磁石）が同じ方向を向いている。キュリー
温度より高温においては、方位磁石（原子磁石）は勝手な方向を向く。
（ c）超伝導体は、相転移温度以下の低温で、磁石と反発し、磁気浮上現象を示す。

気体酸素が冷えることによって相転移を起超伝導や磁石といった身近な物質に見ら

こし、液体酸素になりました。純粋な液体酸素

れる物理現象と、宇宙や素粒子という広大を試験管に集めると、水色をしていることが極微の世界で見られる現象の間には、ある

わかります。温度をもっと下げると、液体酸素

によって発見されました。水銀の温度を下げ

種の普遍性が存在します。今日は、身近なは、水が氷になるのと同じように、固体酸素にていったところ、有限の抵抗値をもつ「常伝導相転移を理解するために大切な概念が例を通して物理の基礎概念である、相転移なります。

状態」から、ゼロ抵抗の「超伝導状態」へ対称性です。
まず、回転対称性について考え

次に磁石について考えてみましょう。私立

相転移が起こったのです。面白いことに、超てみましょう。

いただき、その成果が南部陽一郎 博士の中学校の入学試験に「磁石は鉄の釘を吸い

伝導体は磁石と反発し、
リニアモーターカーの「何度回転するともとの図形と重なるか」と素粒子理論や宇宙の研究にも利用されてつけるが温度を上げたらどうなるか」というように、磁気浮上をひき起こします（図 2c）。

考えると、矢印の場合は360度しかありません

いることを理 解してもらい、物 理がいかに問題が出たことがあるそうです。その答えは、超伝導という現象は宇宙にも存在するとが、正三角形であれば 120度、240度、360度

面白く奥深いものか、ということを感じていた「磁石の性質が消える」です（図 2a）。これが考えられています。太陽よりもっと重い恒星は、の回転で、もとの図形と重なることがわかります

だきたいと思います。

磁石の相転移で、その境目の温度、相転移

将来、中性子星に変わります。中性子星は（図 3）。正多角形の頂点の数をどんどん増や温度はキュリー温度とよばれています。

富士山を角砂糖 1個分に凝縮したぐらいのしていくと、最終的に円になります。円の場合、

における「自発的対称性の破れ」を学んで＊１

最初に、万有引力の話から始めます。リン

対称性と相転移の関係

ゴは手から離れると地上に落下しますが、月磁石は原子磁石の集合体です。ミクロな高密度状態にある天体です。先ほどの超伝

回転角が何度でももとの図形と重なります。

は地球のまわりをぐるぐるまわり続けています。

実験を行うと、原子磁石はキュリー温度より

導は電荷を帯びた電子が何の抵抗もなしに

群論という数学の言葉を使いますと、円は低温では同じ方向を向いていますが（図 2b）、空間を飛びまわる現象でしたが、中性子星の「連続的な回転対称性をもつ」といいます。

高温になるとてんでばらばらな方向を向くこと

内部では、電荷を帯びていない「中性子」が言 い 方を変えれば 、矢 印 や 正 多 角 形 はがわかります。

抵抗なしに動きまわっている「超流動」が「特別の方向をもっている」けれども、円は起こっていると考えられています。

「特別の方向をもたない」ともいえます。

一見異なって見える現象も、17世紀が生ん＊２だ天才ニュートン の目から見れば同じ現象です。違いは何かといわれたら、初期条件である初期速度だけです。その違いですべて

Noriaki Sato

1955年生まれ。1984年東北大学大学院理学研究科博士課程修了。理学博士。名古屋大学教養部助手、東北大学理学部助手、マックスプランク固体化学物理研究所
客員研究員、名古屋大学大学院理学研究科助教授を経て、2007年より現職。専門は物性物理学。100年、200年後の中学校の教科書に載るような研究をするのが目標。

＊4

超伝導は、いまから約 100年前、オンネスの運命が決まってしまいます。
をくり返してもN極とＳ極が両端に生じます。

します。磁石とは何かというと「まわりに磁場現れます。1820年、エールステッド は、大学

これは「 1個の原子が磁石の性質を帯びてを生み出すもの」ですから、「 1個の原子はの講 義でボルタの電 池を使って実 験している」ことを意味します。古典的なモデルで磁石の性質をもっている」ことがわかります。

いたとき、たまたま電線の近くに置いてあった原子を眺めると、中央に原子核があり、そのこれを私たちは「原子磁石」とよんでいます。

方位磁石が北でない方角を指すことに気づまわりを電子がぐるぐるまわっています。このエールステッドが発見した「電流が流れる

き、電流が磁場をつくることを発見しました。

電子の周回運動は電流をつくり、原子の周と磁場ができる」というマクロの世界の現象がエールステッドの発見を原子に適用して囲に磁場をつくり出します。正確には「スピミクロの世界でも成り立っていることが理解でみましょう。磁石を分割していくと、何回、分割ン」を考える必要がありますが、ここでは省略

きます。これも物理法則の普遍性の1つです。

同じようなことは、電 磁 気 的な現 象にも＊3

04 特 集 ＿ 極 限 の 世 界を見 通す物 理 の目

＊1 南部陽一郎（ 1921_ ）理論物理学者。小林誠、益川敏英とともにノーベル物理学賞（ 2008年）を受賞。
＊2 I. ニュートン（ 1642 _ 1727）
イギリスの哲学者、自然哲学者、数学者、神学者。ニュートン
力学を確立。

図3

回転対称性

左端の矢印は特別の方向をもち、360度の回転によりもとに戻る。正三角形に対し120度の整数倍の回転操作を施すともとと重なる（区別がつかない）。同様に考えると、正方形では90度の整数倍、正六角形に対しては60度の整数倍の回転操作に対し不変である（もとと変わらない）。一方、右端の円に対しては、いかなる回転に対してももとと重なる。このとき、「円は連続的回転対称性をもつ」という。

＊3 H.C.エールステッド（ 1777_ 1851）
デンマークの物理学者、化学者。
＊4 H.K.オンネス（ 1853 _ 1926）
オランダの物理学者。ノーベル物理学賞（ 1913年）を受賞。

No.27 autumn _ winter 201405

特集_極限の世界を見通す物理の目

次は、並進対称性です。
水が入った大きな容器を想像してください。
容器は非常に大きいので、「容器に端がある」と認識できません。ですから、容器をほんのわずかな距離だけずらしても、ずらしたことに誰も気がつかないはずです。このとき、水などの液体は「連続的な並進対称性をもつ」と表現されます。これに対し氷や固体酸素などの「結晶格子」はどうかというと、格子の間隔だけ動かすともとに重なりますが、勝手な距離を動かしただけでは重なりません。つまり、結晶格子は「連続的な並進対称性をもたない」ということになります。
それでは、対称性と相転移の関係を考えて

図4対称性の破れ

図5

液体⇔固体、磁石、超伝導、超流動における相転移温度の上下における状態が示されている。液体では原子・分子
は勝手な方向に運動しているが、固体では規則正しく整列している。高温の磁石では、原子磁石は勝手な方向を向いており、位相角θはてんでばらばらな値をとる。キュリー温度より低温では、原子磁石は皆同じ向きをもち、位相角θ
は1つの値に固定される。常流動における原子・分子の運動量（図中のp x やp y ）は勝手な値をもつが、超流動（超伝導）においてはすべての原子・分子（クーパー対）が同じ運動量（上図では p x =p y =0 ）に凝縮する。

準結晶（ Au-Al-Yb）と磁性超伝導体（ a）縦軸には電子の有効質量に対応する物理量、横軸には温度が対数目盛でプロットされている。
試料を超低温に冷やすと（最低温度は約 0.08ケルビン）、電子の有効質量が絶対零度に向かって発散的に増大する。
（ b）「電子 1」から磁気的な相互作用により生み出された「原子磁石（スピン）のゆらぎ」が磁石中を大きな矢印方向に伝播する。このゆらぎと相互作用した「電子 2」は進行方向を変える。結果的に、
電子１と２の間に引力が生じ、クーパー対が形成される。

いきます。液体は連続的な並進対称性をもち、固体結晶はそれをもちません（図 4）。従って、エントロピーをもちます。詳しい計算をしますと、が起こります。現代物理学では光はフォトンと話と深く関係していることがわかってきました。

のです。いままでの物理学者の常識では、同

電子はスピンのゆらぎをキャッチボールする

液体から固体結晶に相転移するとき、連続的

規則正しい状態は乱雑な状態より小さな内いう粒子と見なされ、このフォトンの質量は1年半ほど前、私たちは、ある種の準結晶

じ物質が超伝導体にもなって磁石にもなるこことで生じる引力によって結びつけられる」

並進対称性が「自発的」に消失します。自発部エネルギーをもつことがわかります。結局、真空中でゼロです。しかし、ゲージ対称性のの中を動きまわる電 子の質 量（ 正 確にはとはあり得ないと考えられていました。ところが、ことを実験的に証明したのです。ここにも、的という言葉の意味は、「温度を下げるだけ

温度が低いときは、規則正しい状態が小さな破れた状態である超伝導体の中に入ると「有効質量」）を測定しました。その結果、2000年に、磁石にも超伝導体にもなる物質が素粒子物理と物性物理の間の類似性を見てで他には何もしない」ということです。

自由エネルギーをもつため、その状態が実現

途端に有限の質量をもつようになります。この

絶対零度の極限で質量が無限に大きくなるこ

英仏のグループによって発見されました。そこ取ることができます。

磁石における相転移では、連続的回転対します。一方、高温では、乱雑な状態の方が、ため、超伝導体の奥深くには侵入できません。

とを発見しました（図 5a）。質量が無限に大きで私たちは、
超伝導発現機構の解明に乗り出

最後に、磁性超伝導体の相図をみてみま称性が消失します。なぜなら、キュリー温度よ大きなエントロピーのため、小さな自由エネル

これをマイスナー効果とよびます。

くなると電子は動けなくなります。この絶対零しました。その結果、「スピンの波」（正確にはしょう（図 6）。この相図は、原田先生の講演で度の世界は「量子臨界点」とよばれ、「量子「スピンのゆらぎ」）が超伝導引力を媒介する説明するクォーク・グルーオン多体型の相図

ヒッグス 機構とよばれます。面白いことに、臨界点はブラックホールと等価である」と考えことを2年ほど前に見つけ出しました（図 5b）。

（本号P. 8 図 1）と非常によく似ています。これ

アンダーソン・ヒッグス機構というアイディアのる理論家もいます。もしこれが正しければ、私

これは 1949年にノーベル賞を受賞したが単なる偶然なのか必然なのか、答えはまだり高温ではすべての原子磁石の方向がばら
ばらになっていて、特別の方向がないのに対ギーをもつことになり、その結果、その状態が実現します。これが相転移のメカニズムです。

し、低温では1つ 1つの原子磁石の方向はすべて揃っていて、特別の方向があるからです。

そこで何が起こっているのか＊５

この質量の発現機構はアンダーソン ・＊6＊8

形成に影響を与えた南部理論の発端は超たちは掌に乗っけている物質の中にブラック

湯川秀樹 博士の核力に関する理論と関係わかりません。
もし必然であれば、極限天体を

超伝導体を磁石に関連付けて考えてみま

では相転移が生じると何が起きるでしょうか。

伝導でした。ここでも奥深い物理学の世界

ホールを作り出せることになります。これも付けられます。湯川先生は「核子と核子は

私たちは自在に実験室でつくれることになりしょう。高温の常伝導の状態は、原子磁石が固体に転移すると、液体のときにもっていたを垣間見ることができます。

物性物理学の面白さの 1つです。

中間子をキャッチボールすることで生じる引力ます。若い方にはその答えをみつけてくださる

ばらばらな方向を向いていることに対応し、連続的な対称性がなくなるわけですが、このもう1つの私たちの成果は、「超伝導になるによって結びついている」ということを理論的ことを期待しています。物理は皆さんの挑戦「位相角θ」はばらばらな値をとっています。

とき「格子の波」（音波）が生じます。この磁石」（磁性超伝導体とよばれる）に関するもに証明されたわけですが、私たちは「 2つのを待っています。

これに対し、低温の超伝導状態は、原子磁石「格子の波」を私たちは南部先生の名前をの位相角θの値がただ1つに固定された状態

とって南部・ゴールドストーン励起とよんでいまに対応付けられます。これを私たち物理学者

す。波や相転移という言葉を知っていても、氷や固体酸素などの結晶は、正方形やは「超伝導になるとゲージ対称性が自発的にそれらを互いに結びつけて考えたことはない

正六角形などと同じ回転対称性をもっていま破れる」と表現します。

と思います。物理学者は、ここでもまた、互いす。一方、わずか 30年ほど前までは、正五角に無関係のように思える現象の間に本質的形と同じ回転対称性もつ固体は存在しない

最後に私たちの研究室の最近の成果について紹介いたします。

エネルギー、T は絶対温度、S はエントロピー）

なつながりがあることに気づいたわけです。

と思われていました。
ところが、1984年、シェヒという式があります。
これは宇宙を支配する非磁石の場合にも、相転移に伴って連続的（ 10回）対称性をもつ物質がトマン＊7らは5回

常に大事な式で、自由エネルギーの小さな状な対称性が失われると、「スピンの波」が現れ存在することを発見しました（この発見により、態が実現することを表します。ボルツマンのおます。この「スピンの波」もまた南部・ゴールド

シェヒトマン氏は 2011年のノーベル化学賞を墓に刻まれた式を使いますと、規則正しい状

ストーン励起です。

受賞）。のちに「準結晶」と名づけられるこの態はエントロピーが 0で、乱雑な状態は大きな超伝導の相転移ではさらに不思議なこと

奇妙な固体は、数学や芸術を巻き込むような

50
40
温 度

F ＝E－TS（F は自由エネルギー、
E は内部

極限天体を手でつくる30

強磁性相（Ⅰ）
図6

20

相
転
移

10
0

超伝導相

強磁性相（Ⅱ）510
圧 力

磁 性 物 理 学 研 究 室 ウェブ ページ
06 特 集 ＿ 極 限 の 世 界を見 通す物 理 の目

強磁性超伝導体の相図

普通の強磁性体（磁石）と異なり、2つの強磁性相 IとII（いずれも自発的に対称性が破れた状態）がある。電子の対（クーパー対）が凝縮した超伝
導は、クォークの対が凝縮したカラー超伝導（本号P.8図 1の青色の領域）に対応する。また、黄色の強磁性相は、クォーク・グルーオン相図中のハドロン相（同図の黄色の領域）に対応づけられる。

15＊5 P.W.アンダーソン（ 1923 _ ）アメリカの理論物理学者。ノーベル物理学賞（ 1977年）を受賞。
＊6 P.W.ヒッグス（ 1929 _ ）イギリスの理論物理学者。ノーベル物理学賞（2013年）を受賞。
＊7 D.シェヒトマン
（ 1941_ ）イスラエルの結晶物理学者。ノーベル化学賞（2011年）を受賞。
＊8 湯川秀樹（ 1907 _ 1981）
理論物理学者。ノーベル物理学賞（ 1949）を受賞。

http://mlbp.phys.nagoya-u.ac.jp/
No.27 autumn _ winter 201407

特集_極限の世界を見通す物理の目を頭の片隅に留めておいてください。
現在では原子核は陽子と中性子から成り

ル賞を受賞された小林誠＊9 博士と益川敏＊10

英

我々の質量はどこから来たのか博士です。

立っていることがわかっています。原子は原子核と電子から成り立っています。原子

次に質量の起源についてお話をします。

て、電気的にくっついています。それでは、

まず、ものをバラバラにして重さを比べる

正の電荷をもつ陽子と電荷をもたない中性ことから始めてみましょう。岩があって、その岩子はどのようにくっついているのでしょうか。

をバラバラに砕きます。バラバラに砕く前とここで登場するのが強い力 です。
1935年、湯川秀樹＊3博士は、陽子と中性子の間でパイ中間子をキャッチボールするこ＊4とによって核力 が働くという機構を導入しま＊5

Masayasu Harada

極微 世 界の基 本 法 則
物質を構成するもの
今日は「極微世界の基本法則」というタイトルでお話をさせていただきます。

-8

後では重さは同じです。もっと細かい原子、さ

もっと細かくしてみましょう。陽子、中性子はクォーク3個からできているので、そこまで細か間子を発見し、パイ中間子をキャッチボール

くしてみましょう。実はクォークはまだ単体ではする核力が確立しました。しかし、同じ1947

みつかっていないので、理論的にバラバラに

年には、陽子・中性子、パイ中間子の仲間のして重さを計ってみると、図 2に示すように、粒子が次々と発見され、これらが最も基本

陽子・中性子が 1700×10 -27g程度であるの的な粒子とは考えられなくなってきました。

に対し、クォーク３個を集めた重さは、大雑把

1 9 6 4 年、ゲルマン によってクォーク模に 60×10 -27 gぐらいで、中性子 1個の重さに型＊7が提唱されました。当時、導入されたはまったく足りません。すなわち、クォーク3個のは、アップクォーク、ダウンクォーク、ストレンをくっつける部分に重さを生むメカニズムがジクォークで、これらのクォークを組み合わせあることになります。

ると、発見されたハドロン＊8がすべてできる

このクォークをくっつけているのが、カラー力模型でした。現在は、ゲルマンの3個のクォーとよばれる強い引力です。
この強い引力によっ核の大きさは 10-12cmで、原子と比べると1万とほとんど同じです。そこで、原子核だけをクに加えて、チャームクォーク、
ボトムクォーク、て、
クォークと反クォークはペアをつくり、真空中分の 1程度です。

取り出して、角 砂 糖 1 個の大きさにするとトップクォークの合計 6種類のクォークが発見を埋め尽くしています。そこをクォークが通り

ここで原子の重さについて考えてみます。

大体 1億トンになります。そのぐらい、原子核されています。クォークは 6種類あるという抜けようとすると邪魔され、動きにくくなります。

導体の相図（本号P.7 図 6）とクォーク・グルー

電 子の質 量はほとんど 無 視できるぐらいは非常に密度が高い状態であるということ予言をされたのが、1973年の論文でノーベ

つまりクォークが重くなる、ということです。

2 0 世 紀の最 初の頃までさかのぼってみましょう。1911年にラザフォード＊1の研究により、原子の中心に原子核があって、そのまわりに電子があるということが示されました。原子・対称性の回復・クォーク非閉じ込め

兆度

要素の歴史を説明します。そのためにまず、

1

相
転

q

移

ハドロン相
・対称性の自発的破れ・クォーク閉じ込め

通常原子核

カラー超伝導相

中性子星内部
3

1億トン/cm

08 特 集 ＿ 極 限 の 世 界を見 通す物 理 の目u1700×10 -27g

60×10-27g

中性子の質量とクォーク3個の質量の比較＊1 E.ラザフォード（ 1871_ 1937）
ニュージーランドの物理学者、化学者。ノーベル化学賞（1908）
を受賞。
＊2 強い力
自然界に存在する4つの基本的力のうちのひとつ。重力・弱い力・電磁力に比べて強い力であるが、その影響範囲は大体原子核の大きさ（ 10-14m）程度である。
＊3 湯川秀樹（ 1907_ 1981）
理論物理学者。ノーベル物理学賞（ 1949）を受賞。
＊4 核力
原子核の中で陽子・中性子を結びつけている力。強い力により生成される。
＊5 C.パウエル（ 1903 _ 1969）
イギリスの物理学者。ノーベル物理学賞（ 1950）を受賞。
＊6 M.ゲルマン（ 1929 _ ）アメリカの物理学者。ノーベル物理学賞（ 1969）を受賞＊8 ハドロン
強い力の影響を受ける粒子の総称で、バリオンとメソン（中間子）の2つに大別される。

クォーク・グルーオン プラズマ相についてもお話したいと考えています。
この相図の説明に入る前に、物質の基本

d＊7 クォーク模型
1964年にゲルマンによって提唱された模型。クォークをハドロンの構成要素とし、陽子・中性子等のバリオンがクォーク3個、パイ中間子がクォークと反クォークからできているとした。

初期宇宙

高 温

先生のお話がなぜこの相図につながるのかd

ほとんど同じ重さです。

佐藤先生の講演の最後で、強磁性超伝

オン多体型の相図が何なのか、そして、佐藤u

図2小さいので、原子の質量は、原子核の質量れました。私の講演では、
このクォーク・グルー

d

中性子の質量は大体 1700×10-27グラムあるが、クォーク3個を合わせた質量は大雑把に60×10-27グラムぐらいで、中性子 1個の重さにはまったく足らない。

の大きさは10 cm、1億分の 1cmです。原子オン多体型の相図（図 1）の類似性が指摘さd

中性子

らに陽子、中性子まで細かくしてももとの岩とした。そして、1947年にパウエル がパイ中

＊6

原 田 正 康 素 粒 子 宇宙物理学専攻教授

質量の起源

核は正の電荷、電子は負の電荷をもってい＊2

1964年愛知県生まれ。1988年名古屋大学理学部卒業、1993年同大学院理学研究科物理学専攻修了。博士（理学）。シラキュース大学物理学科研究員等を経て、1998年名古屋大学大学院理学研究科助手、2002年
同助教授。2005年より現職。専門はハドロン物理学。カイラル対称性の自発的破れと質量の起源、高温度・高密度状態でのハドロンの性質変化など物理現象解明を目指して理論的解析を中心に研究を進めている。

クォーク

高密度

図 1 クォーク・グルーオン多体型の相図（理論的予想）
通常の我々の世界は「ハドロン相」とよばれ、対称性の破れが自発的に起こっていて、クォークはハドロンの中に閉じ込められている。高温度・高密度では、クォークがハドロ
ンの中から飛び出し、「クォーク・グルーオン プラズマ相」が実現されていると考えられている。ここでは、対称性の回復が起きていると期待されている。一方、中性子星内部で実現されている可能性がある高密度状態では、飛び出してきたクォークがクーパー対をつくる「カラー超伝導相」が実現されているとの予想がある。

＊9 小林誠（ 1944_ ）理論物理学者。名古屋大学特別教授。ノーベル物理学賞（ 2008年）を受賞。
（本誌 17号P.2参照）＊10 益川敏英（ 1940 _ ）理論物理学者。名古屋大学素粒子宇宙起源研究機構長・特別教授。ノーベル物理学賞（ 2008年）を受賞。
（本誌 16号P.2参照）

No.27 autumn _ winter 201409

特集_極限の世界を見通す物理の目

クォークー反クォーク
ペアの衣

d

d

u
図3

中性子
（陽子）の構造の模式図

もともとの「裸」のクォークが真空を埋め尽くしている
クォーク・反クォークペアの「衣」をまとうことにより質量を獲得し、「構成子クォーク」となる。その構成子クォークが3個集まって中性子（陽子）をつくると考えられている。

ハドロン相から温度を上げていくと、宇宙初

今、高密度がおもしろい期に実現されていたと考えられている1兆℃

ここまで高温度・高密度の世界について

程度で相転移が起き、ハドロンの中に閉じ

いろいろな角度から紹介をさせていただきま込められていたクォークが、クォークを結びつした。今一番興味を持っているテーマについけているグルーオンとともに飛び出してきます。

て紹介をします。

ブラックホールになってしまいます。ですから、
その上限より重い中性子星は存在しないといわれています。
実際、中性子星を観測してみると、みつかっているほとんどの中性子星の質量は、

この状態は、
クォーク・グルーオン プラズマ相と先ほどいいましたように中性子星の内部はほぼ太陽質量の 1.4倍でした。そこで、太陽よばれていて、自発的に破れていた対称性が高密度状態と関連しています。図 1の相図と質量の 1.4倍を超えたらブラックホールとする

回復していると考えられています。

中性子星の内部構造がどのように関連して状態方程式もありました。

次に、我々の世界より高密度の世界を考え

いるかを簡単にみてみましょう。

ところが、2010年に1つの中性子星の質量

中性子星は、進化した星が最後に爆発が精度よく求められ、太陽質量の 2倍程度で大体 1億トン/cm ですが、中性子星内部でして縮んだ天体で、重力によって主に中性子あることがわかりました。これまでに提案されて3が集まり、半径 10km程度で太陽ぐらいの質

いた状態方程式の多くでは、太陽質量の2倍てみます。ハドロン相では我々の原子核は3実現されている可能性がある10億トン/cm

中性子の質量

構成子クォーク（「衣」を着たクォーク）

2億トン/cm3
図4

密度

中性子質量の密度変化

横軸が密度、縦軸が中性子質量を表す。これまでは、青色の点線で示すように、密度の増加に伴って中性子質量が単調減少すると考えられていた。赤色の実線で示す我々の最新結果では、標準原子核密度の2倍程度（ 1cm3あたり2億トン）で新たな相転移が起こり、新しい相では、密度が増加しても中性子質量が一定となり、変化しないことが示唆されている。

少し見方を変えると、図 3に示すように、対称性の自発的破れとともに現れる、真空を程 度の高 密 度 状 態では対 称 性の回復が量になっています。この中性子星の情報としになればブラックホールとなっていました。そこ

クォークは、真空中を埋めつくしているクォーク埋め尽くすクォーク–反クォークペアが質量の期待されています。

て重要なのは、その質量と半径の関係です。

で、これまでの多くのモデルが排除されてしま考えられていた中性子の質量が、通常の–反クォークペアの衣を着ていると考えられ起源ということですが、これをどのように確か

それではハドロンの相構造の研究は、質量強い力のみを考えて中性子ばかりを集めるいました。現在、多くの研究者が中性子星内

原子核密度より少し大きい密度のところからます。その衣をまとったクォークのことを「構成

めたらいいのでしょうか。

の起源の解明とどうつながるのでしょうか。

と、密度が高くなるとエネルギーが増えます。

部の状態を表すモデルをつくり直しています。

一定になります。その結果として、先ほどの密佐藤先生の講演にもあったように、「高温相図で書いたように、高温度・高密度では、この関係をここでは核物質の「状態方程式」

最後に、ここまでの話に関連した我々の度とエネルギーの関係を表す状態方程式が×10 gで、陽子、中性子の重さのだいたい度・高密度」では「対称性がある」のですが、クォークが自由になり、それに伴ってクォーク–とよびます。この状態方程式をアインシュタイ

最新の研究を1つご紹介します。先ほどお話

変わり、重い中性子星を説明できるという研究

3分の 1です。このように、陽子、中性子は「低温度・低密度」になると対称性が自発的

反クォークペアが溶けて、「衣」を着たクォーク

ン方程式から出てくるTOV方程式（重力方ししたように、
陽子・中性子の質量の起源の候もあります。ですから、最近、発見された重い構成子クォークが 3個集まっていると考えられに破れています。対称性が破れた世界から、が軽くなると期待されています。その際に、程式）に代入して解くと、重力がグッと押し補として、対称性の自発的破れがあるとしてき中性子星や小さい中性子星は、我々の質量ています。

対称性がある世界に行くことを、「対称性がクォークと反クォークからできているメソン等

縮めようとする力と中性子が広がろうとする力ました。これに対して、我々の最新の研究での一部は、対称性の破れ以外に質量の起源

この考え方では、質量の起源の基本は、回復する」といいますが、対称性の破れたのハドロン自体の質量が軽くなっていくというの釣り合いから、中性子星の半径と質量はは、陽子・中性子には対称性を破らない質量があることを意味しているのかもしれません。

真空を埋め尽くすクォーク–反クォークペアと低温度・低密度の世界で起こっていることを期待もあります。

決まります。ですから、中性子星の質量と半径がある可能性があることがわかりました。すな

これで私の話を終わりたいと思います。

いうことになります。このクォーク–反クォーク

確かめるために、対称性の回復した高温度・では、ハドロンの質量が高温度・高密度でを決めるためには、核物質の状態方程式を

わち、中性子の質量としては、対称性の自発＊11

高密度の世界に行けば、何かわかるであろうは減少するということを、どのようにチェック知ることが重要です。

的破れによる質量と、対称性を破らない質量と考えられます。

すればいいのでしょうか。先ほどいったような

我々のまわりには中性子だけでできた物質があるということです。これによると、図 4に示

どのように1兆℃、1億トン/cm3という状態を、はありません。たとえば皆さんの体をつくってすように、これまでは密度とともに減少すると実現すればいいのでしょうか。1つの方法といる原子核は「陽子数と中性子数がほぼ子クォーク」といい、その質量はだいたい500-27

ペアは、南部陽一郎

博士が提唱された対称性の自発的破れを引き起こします。この

高温度・高密度の世界

3

温度や密度を変えると、状態の変化が起こ

して、密度が 1億トン/cm ある原子核内での同じ物質」で、状態方程式は実験から大体ります。水を例にして考えてみましょう。水は、メソンの性質を測定し、通常のメソンの性質とわかっています。すなわち陽子と中性子の数

1気圧では 0℃より低いときは氷になります。

比較することが考えられます。高エネルギーがほぼ同じ場合、密度を変えるとエネルギー

0 ℃で水になり、1 0 0 ℃で蒸 気になります。

加速器研究機構（KEK）
で2001年、2006年、は最初、減っていって、あるところから増えてい固体、液体、気体と移り変わることを相転移と2007年に行われた実験では、原子核内のきます。実在するのは一番エネルギーが低い

いいます。

メソンの性質と通常のメソンの性質の違いが状態で、それが我々の原子核です。

これをハドロンの世界へもっていくとどう測定され、その違いの説明の 1つとして原子

中性子だけの場合の状態方程式は、陽子なるのでしょうか。実験的に確認されたわけで核内のメソンの質量が数％軽いとするものが数と中性子数がほぼ等しい場合の実験結果はありませんが、多くの研究者が考えているあります。それ以外にも違いを説明する仮説

から理論的に求められていて、多くの提案が相図が冒頭に出した図 1で、強磁性超伝導はいくつかあります。
そこで、東海村のJ-PARCあります。重要な点は、中性子星の質量には体の相図との類似性が見られます。通常の（ Japan Proton Accelerator Research

上限があって、ある質量より重い中性子星は

世界はハドロン相にあって、強磁性超伝導体

Complex：大強度陽子加速器施設）で新し実現できないことです。重力でつぶれようとの強磁性相と同様に対称性の自発的破れい実験が計画されていて、新しい情報が得らするものをガスの圧力で支えているため、あまが起きています。

れるものと期待しています。

りに重くなるとガスの圧力では支えきれなくなりクォーク・ ハド ロン 理 論 研 究 室 ウェブ ページ

10

特 集 ＿ 極 限 の 世 界を見 通す物 理 の目

どうもありがとうございました。
＊11 南部陽一郎（ 1921_ ）理論物理学者。小林誠、益川敏英とともにノーベル物理学賞（ 2008年）を受賞。

http://hken.phys.nagoya-u.ac.jp
No.27 autumn _ winter 201411

理 の 先 端を いく Ⅰ

月周回 衛 星「かぐや」がみた月の進化史の海領域では15億年前までマグマ噴出が起こったことがわかった（図 3・図 4）。月から来たとされる隕石の分析によると、43.5億年前に諸 田 智 克 地 球 環 境科学専攻助教

はすでにマグマ噴出活動が始まっていたことから、月の上部マントルは約 30億年もの長期
マグマ噴出（海の形成）にわたって溶融していたことになる。

月の形成・進化の描像と問題
月は分化天体の中で最も小型であるため急速に冷却が進み、地質活動は比較的早い段階で終了した。その結果、月の表面は形
成初期の進化履歴をよく保存している。地球

一般に、月のような小型天体は急速に冷えるはずであり、30億年の長期にわたってマント

斜長石の浮上による地殻の形成

図 1 月の進化史の描像

カンラン石, 輝石の堆積による
マントルの形成や金星では形成直後の情報がその後の地

アポロ・ルナの岩石試料の放射年代と岩石試料を採取した地域のクレータ数密度を関係づけることで得られた。この
関係式を用いることで、岩石試料が得られていない地域でもクレータの個数を調べることにより年代決定が可能となる。
それぞれのプロットの記号のアルファベットはミッション名（ A：
アポロ、L：ルナ）、
数字は ミッション番号を表す。
（ G. Neukum& B.A. Ivanov, 1994, in Hazards Due to Comets andAsteroids, pp. 359, Univ. of Arizona Press）

月は完全に溶融した状態から始まったと考えられる。マグマオー
シャンが冷えて固まることによって、地殻とマントルに分化した。その後、上部マントルが再び溶融し、そこでつくられたマグマが表面に噴出して、
月の海をつくった。

上部マントルの再溶融

質活動によって消されてしまっており、月は地

図 2 クレータ数密度と表面年代との関係

球型惑星の初期進化過程を理解するための数少ない情報源なのである。
1960 〜 70年代のアポロ・ルナ計画で持ちルが溶融していたことは驚きである。なぜ月は長期間活動できたのであろうか。近年の天体内部の熱史計算研究によると、月の初期温度が高温であったならば、その後のマグマ活動が長期化する可能性が示唆されている。我々の成果は月が巨大衝突によって形成されたとする仮説を支持するものかもしれない。これを確証するためには、天体内部の帰られた岩石試料の分析により月の起源・進と考えられる（図 1）。マグマオーシャンが冷え

上記のような月の進化シナリオの実証と各料があり、その放射年代と着陸地点のクレーどについての多角的な観測を行った。その熱源の特定とマントル進化の物理素過程の化に関わる理解は飛躍的に進んだ。現在最て固まることによって、相対的に軽い鉱物から事象の因果関係の解明をめざして、我々はタ密度の関係づけができている（図 2）。この最大の成果の 1つは、月全球において高解理解を深める必要があり、次の課題である。

も支持される月形成モデルは、原始地球に火なる地殻と重い鉱物からなるマントルに分化

年代学的観点から月の進化過程に関する関係を用いることで、岩石試料が得られてい像度画像データを取得したことである。我々

それはまさに、月の熱進化を復元するだけで星サイズの天体が衝突し、飛び散った破片した。その後、おそらく放射性元素の壊変熱研究を進めてきた。とくに我々が注目したのない未探査地域でも、画像データからクレーはこの高解像画像データを用いて微小クレー

なく、地球や金星、火星を含めた分化天体のから月が形成されたとする巨大衝突仮説でによって上部マントルが再び溶融し、そこでつは、海を形成したマグマ活動の継続期間のタの数密度を求め、絶対年代に変換することタを数えることで、月全球の溶岩流の精密な

熱進化の体系的な理解にほかならない。

ある。このモデルに従うと、月は完全に溶融しくられたマグマが表面に噴出し、月の海をつ問題である。マグマ噴出の量や時間履歴をが可能なのである。

年代決定に成功したのである。

くったと考えられる。

理解することは、月の内部がどのように冷えて

日本の月探査機「かぐや」は2007年 9月にいったか（月の進化）、さらには月が最初にど打ち上げられた。
「かぐや」は 2009年 6月のれだけ熱かったか（月の起源）、を理解する

制御落下による観測終了まで、14の科学機

その結果、月では全球的に25億年前まで、上で鍵となる情報である。
またこの問題は、月器により月の元素組成、
地形、
重力場、
磁場な

放射性元素の濃集地域である嵐の大洋・雨＊た状態であるマグマオーシャン から始まった

月は 15 億年前に「 死んだ」＊ マグマオーシャン
一般に、太陽系の惑星や小天体は、原始惑星系円盤の中でダストから成長したキロメートルサイズの微惑星がさらに衝突合体を繰り返すことで形成されたと考えられている。月や地球型惑星のサイズになると、微惑星による集積加熱によって天体表
面の岩石は完全に溶融し、深さ数百〜千 kmほどのマグマの海をつくったと考えられており、これをマグマオーシャンとよぶ。

がいつ死んだ天体になったのか、という素朴な疑問への回答ともいえる。これに答えるた
めには、マグマ噴出の痕である溶岩流の年代を決定する必要があった。

時を刻むクレータ
ではどうやって月表面にある溶岩流の年
溶岩流の数

代を決定できるのであろうか。一般に、天体
表面では、古い地域ほど多くのクレータが存在すると考えられる。このような簡単な原理に基づき、単位面積あたりのクレータ個数（ク
レータ数密度）から、その地域の年代を見積もる方法をクレータ年代学とよぶ。この手法でTomokatsu Morota

2003年金沢大学自然科学研究科物質科学専攻修了。博士（理学）。宇宙航空研究開発機構プロジェクト研究員、
日本学術振興会特別研究員、国立天文台RISE月探査プロ
ジェクト研究員を経て、2011年 9月より現職。2004年より月周回衛星「かぐや」プロジェクト、
2011年より小惑星探査「はやぶさ２」プロジェクトに参加。専門は惑星科学。

年代［億年前］絶対年代を決めるためには、表層年代とク
レータ数密度の関係を知っている必要がある。幸いに月ではアポロ・ルナ計画の岩石試

図 3 月の海の年代地図

図 4 月のマグマ活動史

赤い点線の領域はトリウムやウランなどの熱源元素に富むとされる嵐の大洋・雨の海領域を表す。この領域で長期のマグマ活動が起こっており、月表層の熱源元素の濃集が内部のマグマ生成に影響を与えていた可能性が考えられる。

40 〜30億年前に多くのマグマが噴出した。
その後減衰し、15億年前まで噴出は続いた。

地 球 惑 星 物 理 学 講 座ウェブページ
12

理 の 先 端 をいく Ⅰ

http://www.eps.nagoya-u.ac.jp/~geophys/
No.27 autumn _ winter 201413

理 の 先 端を いく

Ⅱ

図 2 翻訳後修飾酵素遺伝子を欠損したシロイヌナズナ植物体
チロシン硫酸化酵素欠損株では根が顕著に短くなり、ヒドロキシプロリンのア
ラビノース糖鎖付加酵素欠損株では花芽形成が早まっている。

細胞内
未修飾ペプチド（不活性型）

細胞外

Yoshikatsu Matsubayashi

1971年三重県生まれ。1997年名古屋大学大学院生命農学研究科博士課程修了。同助手、助教授（准教授）を経て、2011年より基礎生物学研究所教授。2014年 4月から現職。専門は、
植物分子生理学、
生理活性物質化学。

翻訳後修飾

成長の隠されたしくみを分子の側から探る

翻訳後修飾ペプチド
（活性型）

SO3H

ゴルジ体

O

HO

O
OH

松 林 嘉 克 生 命 理 学専攻教授

O

HO

O
OH

HO

ペプチドシグナルと翻訳後修飾

O
OH

硫酸化

情報伝達分子の中には、アミノ酸十数個

図1

糖鎖付加
O
OH

ペプチドシグナルの翻訳後修飾

ペプチドシグナルは、細胞外に運ばれる途中にゴルジ体の中で翻訳後修飾を受けることが多い。修飾を受けることで受容体に結合できる構造となり、本来の機能を発揮する。植物のペプチドシ
グナルの主要な翻訳後修飾には、チロシンの硫酸化と、ヒドロキシ
プロリンへの糖鎖付加とがあり、とくにアラビノースが 3個結合する糖鎖付加は植物に特徴的である。

わずか 1mgの結晶を1000リットルの水にからなる「ペプチドシグナル」とよばれるグルー

溶解してつくった希薄な溶液にも、生物のプがある。とくに植物では、こうしたペプチド細胞は鋭敏に反応する。これが、動物のインシグナルに酸や糖などが結合してそのアミノ

シュリンや植物のサイトカイニンなどのホルモン酸の化学特性を変えることが多く、これを翻訳に代表される細胞間情報伝達分子の世界

後修飾とよぶ（図 1）。情報伝達分子が早くである。生体内の特定の細胞群が分泌した

拡散するためには分子サイズはできるだけ探し出して機能を解析したすえに見つかる

微量の情報伝達分子は、細胞と細胞の隙間

小さい方が有利であるが、サイズが小さいこと例が多かったが、我々は逆にこうした情報を移行し、ターゲットの細胞の表面に存在するによって低下する分子の特異性を翻訳後修

伝達分子の候補をさまざまな手法で見つけ受容体分子に結合すると、スイッチとして特定飾によって補うという巧みな戦略であると私た出し、後からその分子が関与する生命現象をの遺伝子群を活性化する。
これにより、離れた

ちは解釈している。

明らかにすることを試みている。あえて逆のことができる。多細胞生物の体の形成や環境

植物の成長を支えていた

変えることでこれまで見過ごされていた面白変化への応答には、
このような情報伝達分子

ペプチドシグナル

い現象やしくみを見出すことができると考えてを担っている。

理 の 先 端 をいく Ⅱ

野性株

糖鎖付加酵素欠損株

いたのである（図 3）。

中でブレイクスルーとなったのは、翻訳後修飾

シロイヌナズナの全遺伝子の中から、配列上酵素をコードする遺伝子を破壊したシロイヌナの特徴を手がかりにチロシン硫酸化される

新しい情報伝達分子が見つかれば、必ずズナ植物体を生育させると、破壊した遺伝子ペプチドをコードする可能性が高い遺伝子を存在するはずのその受容体分子への興味がに依存して根が顕著に短くなったり、花芽形＊1

選び出し、ペプチドの構造を質量分析装置

深まる。シロイヌナズナには600を超える数の成が早まったりしていることに気がついたことを使って確かめた上で、人工的に合成した受容体様分子が存在するが、どんな情報であった（図 2）。翻訳後修飾酵素は多数の硫酸化ペプチドをチロシン硫酸化酵素が欠損

伝達分子を認識しているかは、数えるほどペプチドの修飾に関与しているため、修飾酵した植物に与えてみた。与えたペプチドがしかわかっていない。情報伝達分子と受容体素欠損株においては、
本来修飾される多数の根の成長に必要なものであれば、その成長がとを線で結びながら、一見混沌とした生物のペプチドがすべて修飾を受けないまま分泌さ回復するはずである。その結果、これまで知ら営みの中にある洗練されたしくみを「逆の方れてしまう。それらの中に重要なペプチドシグ

れていなかった新しい硫酸化ペプチド群に向」から解き明かしたいと思っている。

＊2

ナルが含まれていれば、図らずも翻訳後修飾活性があることを突き止めた。RGF と命名し酵素を欠損した植物の形態は、未知の情報

たそのペプチド群は、根の先端領域で局所的伝達分子がどこでどのような働きをしているかに発現して根の基部側へ向けて拡散し、このを我々に教えてくれる。

濃度勾配が PLT＊3という遺伝子活性の調節

我々は植物の代表的な翻訳後修飾酵素、因子の量に反映されることで、根の先端でチロシン硫酸化酵素の欠損株における、根が生まれた細胞がしばらく分裂を繰り返した結顕著に短い形態の原因となっている新しい果、根端から遠ざかると細胞伸長を開始する

ペプチドシグナルをさらに探索することにした。

という根の特徴的な成長のしかたを規定して＊1 質量分析装置
分子をイオン化し、その質量を精密に測定する装置。分子イオ
ンに不活性ガスを衝突させてさまざまに断片化したものの質量を測定することによって、詳細な分子構造を知ることができる。
＊2 RGF
Root meristem growth factorの略。根端分裂組織成長因子の意味を込めている。
＊3 PLT
PLETHORAの略。根端分裂組織の形成に必須の遺伝子の1つである。

硫酸化酵素欠損株

このような情報伝達分子は、
これまで特定の生命現象に関与する遺伝子群を1つずついるからである。
実際、我々がこの観点から研究を進める

ペプチドなし図3

RGFペプチド投与

PLT

RGF

RGFペプチドの活性と発現パターン

チロシン硫酸化酵素を欠損した植物は、根が極端に短いが、化学合成したRGFを培地に加えると、根の成長が劇的に回復する。RGF遺伝子は、根端の静止中心や幹細胞などの限られた細胞において発現しており、細胞外に分泌された RGFペプチドは、細胞間隙を拡散して周囲の細胞群に働きかけ、転写因子であるPLTの発現レベルを調節している。
PLTの発現レベルが高いところでは未分化性が維持され、中程度の領域では細胞分裂が活性化し、さらに発現レベルが下がると分化して細胞伸長が起こる。

形 態 統 御 学 講 座 細 胞 間シグナル研 究グループウェブページ
14

硫酸化酵素欠損株

方向から研究を進めているのは、着眼点を細胞同士でも互いにコミュニケーションをとると受容体とがさまざまな局面で鍵となる役割

野性株

http: //www.bio.nagoya-u.ac.jp/~b2
No.27 autumn _ winter 201415

理 の 先 端を いく

Ⅲ

一般相対論的宇宙と宇宙の加速膨張
ダークマター

一般相対論が誕生してから間もなく100年

26.8%

が経とうとしている。一般相対論の登場により、時空までも物理学の考察対象となり、原子などからなる
通常の物質

4.9%

アインシュタイン方程式がその世界を支配
ダークエネルギー

している（図 1）。時空はリーマン幾何学とよば68.3%

れる曲がった空間を扱う数学で美しく記述されている。アインシュタイン方程式ほど人類が手にしている方程式のなかで美しいものはないのではないかと思う。この理論の素晴らしいところは、それを土台とした宇宙論にお幾何学で宇宙に楔を打つ
白 水 徹 也 多 元 数 理科学専攻教授

いて宇宙の膨張、宇宙の大規模構造をはじ

図2

図3

宇宙膨張を支える物質の構成

プランク衛星などによって明らかとなったように原子などの普通の物質は4.9パーセントしかない。ただし、アインシュタイン方程式が成り立つとしている。

正質量定理を証明する式

ダークエネルギーなどがある場合に使用される。中心の式の左辺のMが質量、Gは万有引力定数。右辺が正にな（ Nozawa & Shiromizu 2014,
ることを示すことで定理は証明される。ダークエネルギーはSµなどに現れている。
Physical Review D89, 023011）

めとする予言がことごとく観測により検証され幸か不幸か、現状は混沌としている。さま

制限をつけることができる（図 3）。具体例とここで幾何学においてしばしば登場するている点である。なぜこんなにも美しい理論

ざまな理論や模型が提案されている。ここでして、正質量定理が成り立つことを要請し、時空の分解公式が役に立つことに私たちはが自然を支配しているのか不思議である。

基本に立ち返ることは重要である。そもそも

ダークエネルギーとしてスカラー場を考えた

気がついた。高次元の時空の湾曲の度合い

しかし、新たな問題も出始めている。それこの類の理論が構築される際には、理論の場合、その運動項とポテンシャル項のかたちを表す量と4次元時空のそれとを関係付け

が 2011年にノーベル物理学賞が与えられた安定性は最低限保証されてきた。一般相対が大きく絞られることが私たちの研究でわる有名なガウス公式である。これを用いること宇宙の加速膨張の発見である。一般相対論

論は非線形レベルでその安定性が保証されかった。これが今後の理論構築の新指針ので、薄膜上の4次元時空を支配している方程

では通常宇宙が減速膨張することを予想ていることが知られている。即ち、全質量 M1つになると期待している。

式の導出を行うことができた。実はこれはする。観測と理論との間に何が起きているに対してM≧ 0が成り立ち、M=0のときに限りのであろうか。

時空は大域的に平坦な時空になる（正質量＊2

図 1 アインシュタイン方程式
人類が手にした物理法則の中で最も美しいものである。どうして
こんなに自然は美しいのだろう。重力は時空の湾曲で説明され、左辺がそれを表わしている。右辺は物質のエネルギー密度である。物質が存在すると時空が曲がる。

高次元の理論を4次元時空に射影したものに極限状態からのヒントを探るなっており、高次元時空の効果は4次元時空定理 ）。重力のエネルギーが負であること

既存の知識の範疇で深刻な問題に直面しに投影されたかたちで現れる。このことから、を考えるとこれは直感的に自明なことではな

た場合、未知の領域を考えることはしばしばもし高次元時空にブラックホールが存在した

い。新しい理論や模型においても同様の安理解の助けとなる。たとえば、究極の理論といとすると、薄膜上ではまるで輻射（仮想的な定性は保証されるべきであると考えることはわれている超弦理論（基本要素はひも）を考

光子気体のようなもの）があるように 4次元

自然であり、摂動レベル では、これは理論えると、私たちの宇宙は高次元時空（ 10次

時空は応答するという興味深い現象が予想構築の際に最低限要求されることである。

元）中を運動する3次元の薄膜のようなものされる。この種の現象が確認されれば、余剰

よって、ダークエネルギーなどの模型に強いであると考えるのが自然のようである（図 4）。

次元の存在の証明にもなる。また、宇宙の＊3

加速膨張の謎解明への手がかりも与えてくれ
るかもしれない。

未知の法則の探求

幾何学で宇宙に楔を打つことで、今後のアインシュタイン方程式によれば、宇宙の大きな潮流が生まれることを期待したい。

膨張の仕方は宇宙の物質の構成要素から決まる。したがって、宇宙膨張の様子を詳細に観測することによって、宇宙膨張を支える物質の構成要素がわかる。それによれば、
宇宙の 70パーセントはダークエネルギー＊1と＊1 ダークエネルギー
加速膨張を担う未知の成分の総称。

よばれる未知の成分である（図 2）。現在、ダークエネルギーの性質や正体について観Tetsuya Shiromizu

1969年生まれ。山口大学理学部卒業（ 1991）、
京都大学大学院
理学研究科物理学第二専攻修了（ 1996）。博士（理学）。1996
年東京大学大学院理学系研究科助手、2002年東京工業大学
大学院理工学研究科助教授、2008年京都大学大学院理学研究科准教授。2014年から現職。専門は相対論、宇宙論。

＊2 正質量定理
1981年にシェーンとヤウ、
ウイッテンにより独立に証明された。

測、理論の両面から研究が進んでいる。一方で、アインシュタイン方程式への修正の可能性についても検討が始まっている。

図4

超弦理論に基づいたブレーンワールド宇宙

我々の宇宙は高次元時空中を運動する薄膜と考えるのが自然である。式は膜上で成り立つ重力場の方程式である。
幾何学の分解公式を用いることで導出ができる。
（ Shiromizu, Maeda & Sasaki 2000, Physical Review D62, 024012）

白 水 徹 也 ウェブ ページ
16

理 の 先 端 をいく Ⅲ＊3 摂動レベル
微小な揺らぎを与えて微小な応答をみる範囲。

http: //www.math.nagoya-u.ac.jp/~shiromizu/
No.27 autumn _ winter 201417

理 学 部 交 差点
同 窓 生から

キャンパス通 信

再 発 見した理 学 部の魅 力

信頼関係から生まれる研究成果

株式会社プランニングオフィス代 表 取 締 役

元 全 学 技 術センター（ 理 ）技 術 専 門員

梅垣啓一（ Keiichi Umegaki ）河合利秀（ Toshihide Kawai ）書籍紹介

キャンパス通信『 原発と活断層「想定外」は許されない 』「TEDxNagoyaU」を開催

タウ・レプトン物理研究センター准教授

生命理学科3年

戸本徐誠（ Makoto Tomoto ）凌歓（ Xu Linghuan ）宇宙の起源や進化に興味をもち理学部に入学し、名古屋大学理学部技術部は全国の大学の技術

2011年の東日本大震災にともなう東京電力福島「TED Conference」
をご存じだろうか。Technology、物理学科を卒業した。記憶にあるのは A研で「星の組織の模範といわれるようになった。これは先輩技術

第 1原子力発電所の事故によって発足した原子力Entertainment、Designの頭文字を表し、未来のため進化」を学んだことや小川修三先生の量子力学の職員諸氏の活躍の賜物である。以下は2001年度外部規制委員会のもとで、原子力敷地内の断層調査や、に「価値あるアイデアを広める」という目的で、１年に１度ゼミ。ずっと「人」として足踏みを続けていた私は、自分評価からの抜粋である。
「最も感銘を受けたのは物理安全性に関する規則の整備が始まった。

アメリカで開催される世界的に注目されているカンファレを表現したいと思い映画に道を求めたが、斜陽産業に学教室に存在する金工室である。多くの大学では

本書は、規制委員会が定めた地震・津波に関するンスである。そんなTEDの本部からライセンスを得て、私職はなく、TVドラマの制作現場でアルバイトを始めた。

すでに存在しなくなっている金工室が非常に有効に

新しい規制基準の検討チームに加わった活断層研究たち愛知県の大学生は昨年から「 TEDxNagoyaU」

不安定なアルバイトを続けるうちに記録映画や産業活用されている。第一線の研究装置の製作や研究の専門家が、原発敷地内における活断層の認定をを開催しており、2014年 7月6日には第 2回を名古屋

映画をつくるプロダクションがあることを知り入社した。

開発に使われているのみならず、学生教育にも利用

めぐる過去の問題を検証し、活断層が軽視されてきた大学で開催した。

仕事は面白く3年間休む暇なく働き、仲間と独立した。

されている。研究者との交流も良い」。

原因、活断層が過小評価された実例をまとめ、その本場のTEDのイメージを大事にしたかった実行委員

その頃、「名古屋大学放送公開講座」というテレビ

大学の研究は未知の現象を解明することである。

問題をいかに解決すべきか論じたものである。特に、のメンバーはロゴや動画などの演出に凝る一方で、自分番組が始まり、10年間にわたりディレクターとして制作にそのためにはだれもつくったことのない「装置」が必要

著者が携わった敦賀原発敷地内の調査は説得力のたちにしかできないイベントにこだわり続けた。私は大学携わることになった。在学中あまり大学に顔を出さなだ。
ここに私たちの出番がある。技術職員にとって「新しある内容となっている。新聞などの情報には含まれに施設の使用をお願いしたり、東京に何回も足を運んでかった私が足繁く大学に通い、いろんな分野の研究にい装置をつくる」ことはこの上ない喜びである。技術がちな政治的、経済的な主張は一切排除し、純粋に出演依頼したり、運営資金を集めるために企業にアプふれた。

職員が力いっぱい技術を発揮するには、教員や学生と科学的な見地から、原発と活断層に関して知りたい人

ローチした。そうした活動では、普段の学生生活では身そして昨年、理学部の紹介映像を制作するというの信頼関係がなくてはならない。先輩たちは我々にこのにお薦めである。

につかないようなソーシャルスキルやマネジメント能力がまたとない機会を得た。およそ 3カ月にわたり、今度は信頼関係の大切さを、身をもって教えてくれた。理学部

自然に対して知り得る知識には限界がある。科学必要となり、
自分自身を見つめ直す良い機会となった。

理学部に通い詰め、若い研究者の方々への取材をの独創性は教員と技術職員の信頼関係が支えている

では、過去や未来に様々な場所で行われた測定を

当日は日本各地から来ていただいた 10人のスピー重ねた。取材内容はみな面白く、和気あいあいと研究のである。

比較し、自然に対する未知と既知を線引きするために、

カー、総長はじめとする大学の方々、支援してくださったに取り組む研究室の雰囲気にも大いに惹きつけら

現在、理学部の技術職員組織は若返りの最中で数値化した基準を共有する。そして、人間がその基準

企業の方々、限定 100人のオーディエンスの皆さんのおれた。今さらながら「なんて素敵なところだったのだ」とある。
ここで伝統の相互信頼が継承されているであろう

値をもとに科学を社会の役立つ情報として還元する。

かげで無事開催ができた。
どうせやるならみんなの想像思った。

か。技術職員が専門性を磨くのはもちろんだが、教員の活断層の研究では、基準を数値化することが難しいを越えるようなすばらしいものにしたい。そんな思いで活

今、自分が学生に戻れたら、どうするか。研究の道を皆さんの協力が不可欠である。未熟な我々を叱咤激励

ばかりでなく、科学の社会への還元が人類の幸福に直動してできたつながりを大事にし、今年のテーマである

突き進んでみたいとも思うが、映像の道もまた捨てがして、辛抱強く向かい合ってくれた先生方の存在なしに結する所に怖さを感じた。原発と活断層に関してだけILLUMINATE YOUR HEART にあるよう、みんなのたい魅力に満ちているのです。名大理学部を再発見

は我々の活躍はない。教員と技術職員の信頼関係がでなく、科学そのもののあり方、
そして科学を社会がどう心を照らせるよう新たな一歩を踏み出そうと考えている。

させてくれるほどに。

より大きなものになることを願ってやまない。

捉えるかに関して、改めて考えさせられる一冊である。

http://www.tedxnagoyau.com/『 原発と活断層「想定外」は許されない』
鈴木康弘（ Yasuhiro Suzuki）著
岩波書店／ 2013年10月発行
1200円（ 税別 ）2004年の電波望遠鏡NANTEN2の移設作業。背中が筆者

18

理学部交差点No.27 autumn _ winter 201419