素粒子物理学ではこの世界をどこまで理解したのか?

「物質」=「力」=「空間」!?

今日の講演の予定:

超弦理論の予言する世界1.

物理学における基本要素3つ。

素粒子物理学の現状:
素粒子物理学ではこの世界をどこまで理解したのか?

第105回サイエンスカフェ
2016年4月28日「物質」: 物質はどこまで分解できるか?
「力」:物質の間にどんな力が働くか?

2.

超弦理論

「時間、空間」: どんな性質か? 宇宙とは?

超弦理論とは?
超弦理論の描く世界

静岡大学理学部物理学科講師
森田 健→ これらの性質を解明するのが素粒子物理の目的。

専門 素粒子理論
1

2

3

図はwikipediaより

物質とは?

力

物質
原子=電子+原子核 (陽子+中性子)物質の間にどんな力が働くか?

物質はどこまで分解できるか?
?

4「素粒子標準模型」
12種類の粒子 + ヒッグス粒子

5

6

1

図はwikipediaより

力とは?
素粒子の間に働く力: 現在4種類の力が知られている。
重力

電磁気の力

強い力

力とは?
素粒子の間に働く力: 現在4種類の力が知られている。

弱い力

重力

電磁気の力

強い力

電気の力
++

弱い力

重力とは?

電磁気の力によく似た素粒子の間に働く力+

この3種類は似た力

磁力「静電気」も「電気の力」
imgurより電気と磁力は関係している。
例) 電磁石7

図はwikipediaより

重力とは?
重力は不思議な力

89

図はwikipediaより

重力とは?

ここまでのまとめ一般相対性理論: 物理学の革命•

重い物も軽い物も同じ早さで落ちる。
(加速が重さによらない。)•

光 (質量=0)も重力を受ける。

•

電気のように + や - がない。

•

全ての物が引きつけ合う。(万有引力)

一般相対性理論により、「空間」そのものが物理の対象になった。
•アインシュタイン

•ビッグバン (宇宙に始まりがあった)••

13種類の物質
物質の間に働く力: 4種類重力、電磁気、強い力、弱い力

ブラックホール (入ったら出られない空間)

一般相対性理論: 重力 = 空間のゆがみ•「重力」=「空間」

質量は空間を曲げ、物質は曲がった空間の中を動いている。
空間そのものが曲がっているので全ての物の運動が影響を受ける。

10•ワームホール•タイムマシン

11122

力の重要な性質: 「力の変化は波として伝わる。」

力の重要な性質: 「力の変化は波として伝わる。」

4種類の力: 重力 電磁気の力 強い力 弱い力

4種類の力: 重力 電磁気の力 強い力 弱い力

似た力

力の重要な性質「電磁気の力」 =似た力「波」

「電磁気の力」 =「波」

「力の変化は波として伝わる。」--?

--

電子を振動させる。

アンテナの電子を振動させる。

「力」は電磁波(電波)として伝わる。

→ 動かしてみるとわかる。
携帯の電波が建物の中でも届く。→ 波だから。(波の回折、屈折)
131415力の重要な性質: 「力の変化は波として伝わる。」

力の重要な性質: 「力の変化は波として伝わる。」

力の重要な性質: 「力の変化は波として伝わる。」

4種類の力: 重力 電磁気の力 強い力 弱い力

4種類の力: 重力 電磁気の力 強い力 弱い力

4種類の力: 重力 電磁気の力 強い力 弱い力

似た力「電磁気の力」 =

似た力

「波」

「電磁気の力」 =実は「電磁気の力」=「電磁波」=「光」

似た力

重力の変化も波として伝わる: 重力波「波」

実は「電磁気の力」=「電磁波」=「光」

強い力、弱い力 も電磁気によく似ているのでやっぱり波として伝わる。

LIGOで観測に成功!
ブラックホールの運動による重力の変化→ 重力は?
放影研サイトより

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17

重力波
一般相対性理論の予言と一致。

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量子力学

ここまでのまとめ量子力学•

13種類の物質•

物質の間に働く力: 4種類•物質→ 粒子 (つぶ) & 波•

力 (例: 光)→ 粒子 & 波「物質」も「力」も本質的に違いがあまりない。

重力、電磁気、強い力、弱い力•「力」は「波」として伝わる。

•「重力」=「空間」

シンプル!

物質や力の本質とは?

量子力学の二重性:「物質」も「力」も波として伝わり、粒子として観測される。
我々も波? 直感的には理解不可能 (大学物理の最難関)

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図はwikipediaより

量子力学

物質が波の証拠の一部を紹介する。

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量子力学

量子力学

物質が波として伝わる証拠: 電子の干渉

物質が波として伝わる証拠: 電子の干渉「電磁気の力」=「光」も粒子: 光子◆ 干渉: 2つの波が強め合ったり弱め合ったりする現象。

◆ 干渉: 2つの波が強め合ったり弱め合ったりする現象。

例) 光の干渉

電子の干渉← bとcから出た2つの波が干渉ししま模様ができる。

光源

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Tonomura

よく見ると粒状

電子線源(浜松ホトニクスのWebにきれいな写真)

光源「しま模様」=「波の証拠」

光が粒子の性質を持つ→ 光は波
スクリーン

電子検出器

電子を1個ずつ入射していくと、検出器にしま模様が浮かび上がってくる。

→ 確かに電子は干渉を起こす。(電子が波として伝わる証拠!)
22

23

スクリーン

→ 光子と電子はともに「粒子」と「波」の性質を持つ。
24

4

量子力学

前半のまとめ◆ 4つの「力」とその粒子
電磁気の力=光 → 光子•

13種類の物質•

物質の間に働く力: 4種類

超弦理論

強い力 → グルオン
弱い力 → Zボソン、Wボソン

重力、電磁気、強い力、弱い力

重力 → 重力子 (未発見)•

物質も力も波として伝わり、粒子として観測される。
(量子力学)•「空間」=「重力」 (一般相対性理論)

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前半の復習

「量子力学」+「一般相対性理論」の予言•

13種類の物質

•

4種類の力

•

波 & 粒子→光子「量子力学」+「一般相対性理論」の破綻は新しい理論が必要なことを意味する。

→ 様々な試行錯誤。唯一うまくいきそうなのが超弦理論

10-35m程度のミクロの世界で10-35m程度のミクロの世界で「量子力学」+「一般相対性理論」が破綻する。

「量子力学」+「一般相対性理論」が破綻する。

量子力学

10-35m現在の加速器実験で観測できる限界

原子核の大きさ我々の世界

10-20m

10-15m1m

10-35m現在の加速器実験で観測できる限界

原子核の大きさ我々の世界

10-20m

10-15m

1m

波として伝わり、粒子として観測される。
理論が破綻: 重力が強くなりすぎ、計算が全く出来なくなる。

•「空間」=「重力」

一般相対性理論28

理論が破綻: 重力が強くなりすぎ、計算が全く出来なくなる。

同様に重力が強くなりすぎる宇宙誕生時やブラックホールの中心でも理論が破綻
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同様に重力が強くなりすぎる宇宙誕生時やブラックホールの中心でも理論が破綻
30

5

超弦理論(仮説)(1960年代 多数の研究者: Veneziano、南部、...)

量子力学:

物質=「波」&「粒子」

超弦理論:

物質=「波」&「ひも」

より手前で「超弦理論」の兆しが観測されるのでは?

超弦理論• 「物質」=「力」=「空間」

超弦理論

粒子

ひも
現在の加速器実験で観測できる限界

原子核の大きさ我々の世界

10-20m

10-15m1m

10-35m• 9次元空間• 物理定数が一つ波として伝わる波として伝わる弦理論は重力の問題を回避し、どんなにミクロでも破綻の無い理論になる。

重力のせいで理論が破綻
31「物質」=「力」=「空間」
量子力学:

超弦理論の特徴

予測: 「量子力学」+「一般相対性理論」が破綻する10-35m

10-35m程度(?)

量子力学

超弦理論

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33

「物質」=「力」=「空間」

超弦理論の特徴

物質=「波」&「粒子」「物質」や「力」や「空間」は同じ弦の様々な種類の粒子が存在し、粒子の性質(質量、電荷、etc)は粒子毎に異なる。

異なる側面を見ているだけ。

?
電子クオーク

超弦理論:

光子

重力子

物質=「波」&「ひも」「ひも」の種類は一種類しかない。
(他の物質を加えると理論が破綻)

電子

クオーク

光子

重力子

光子

「ひも」は切れたり、くっついたり出来る

未発見の粒子

物質力• 9次元空間

空間• 物理定数が一つ

電子

etc.

「ひも」が異なる振動をすると、異なる性質を示す。→この違いが粒子の違い。

• 「物質」=「力」=「空間」

クオーク

光子

重力子

未発見の粒子etc.

「ひも」が異なる振動をすると、異なる性質を示す。→この違いが粒子の違い。
3435

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6超弦理論
弦理論:

物質=「波」&「ひも」

超弦理論の特徴: 9次元空間

超弦理論の特徴: 9次元空間★ 9次元空間 → 3次元空間 + 6次元空間★ 9次元空間 → 3次元空間 + 6次元空間例) マンガの中の人(2次元)

我々の3次元空間???

弦理論は勝手な空間では成立しない。
マンガの中の光も物も紙から出てこられなかったら3次元空間
空間が「3次元」:

NG

空間が「9次元」:

OK (電子やクオークOK)→ 我々が自由に動けるのが3次元に広がった世界に限られていたら、6次元を感じなくても矛盾は無い。

「超弦理論」と呼ばれる。
空間が「25次元」:どういうこと???

マンガの中の人はこの世が3次元だと気づかない。

いくつか可能性がある。

3次元

OK (電子やクオーク多分NG)
今日はそのうち1つを紹介。
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超弦理論の特徴: 9次元空間

39

超弦理論の特徴超弦理論の特徴★ 9次元空間 → 3次元空間 + 6次元空間◆ 超弦理論ではこのような世界が可能: ブレーン世界
ブレーン: 3次元に広がる弦の特殊な状態

6次元

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★ 物理定数が一つ物理定数とは?

ブレーン(3次元に広がる)→この世の中にある変化しない量

我々はブレーンの中だけを自由に動ける。

• 「物質」=「力」=「空間」→「ブレーン」=「マンガの紙」
6次元例)• 9次元空間• ニュートン定数 G• 電子の質量 𝑚𝑒• 物理定数が一つ• クオークの質量 𝑚q• etc

理論的にも実験的にも現在の物理学では数十個このような量がある。

9次元空間は問題ではない。
4041427

超弦理論の特徴

超弦理論の特徴★ 物理定数が一つ★ 物理定数が一つ超弦理論には物理定数が1つ(基本長さ L)しか存在しない。

例)• 電子の質量 𝑚𝑒

• etc

L

超弦理論には物理定数が1つ(基本長さ L)しか存在しない。

→ より基本的な量であらわせる。
→ 変化しても良い。

例)

これらの定数の数の違い「1個」vs「数十個」は何を意味しているのか?

• ニュートン定数 G★ 物理定数が一つ𝐺 : ニュートン定数
𝐺𝑀
超弦理論には物理定数が1つ(基本長さL)しか存在しない。
𝑔= 2
𝑀 : 地球の質量𝑅
𝑅 : 地球の半径L• クオークの質量 𝑚q超弦理論の特徴L「物理定数」が別の量で表される例: 地上の重力加速度 𝑔• ニュートン定数 G• 電子の質量 𝑚𝑒

これら数十個の量は「基本長さL」によってあらわされるはず。

• クオークの質量 𝑚q• etc

現在の物理学では数十個このような量がある。

例)

これらの定数の数の違い「1個」vs「数十個」は何を意味しているのか?

• ニュートン定数 G• 電子の質量 𝑚𝑒

これら数十個の量は「基本長さL」によってあらわされるはず。

現在の物理学では数十個このような量がある。

• クオークの質量 𝑚q全て変化する可能性がある。

• etc→ 変化しても良い。

43

基本長さ L が唯一変化しない量。
今まで定数だと考えられていた量は現在の物理学では数十個このような量がある。

4445

超弦理論の描く世界★ ほとんどの「物理定数」は「定数」でない。

超弦理論の特徴• ニュートン定数 G

超弦理論の描く世界• 「物質」=「力」=「空間」• 9次元空間• 電子の質量 𝑚𝑒• クオークの質量 𝑚q

これらは定数で無い→ 変化しても良い。

• etc• 物理定数が一つ超弦理論は非常にシンプル。

これらの「定数」の値が異なる宇宙では何が起きるか?

1種類の弦、1つの定数によって→ 数%でも変化したら、生命は存在できない。

世界が構成されていることを予言する。

安定な銀河系形成、安定な恒星(太陽)、安定な恒星の核融合、安定な炭素元素、酸素元素、ビックバンや恒星内部や超新星爆発による元素生成、etc
Epelbaum et al 2013, etc
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超弦理論の描く世界

超弦理論の描く世界

超弦理論の描く世界★ ほとんどの「物理定数」は「定数」でない。

★ ほとんどの「物理定数」は「定数」でない。

★ 宇宙の崩壊?

• ニュートン定数 G• 電子の質量 𝑚𝑒• クオークの質量 𝑚q

宇宙がたくさんあると言うことは、我々の宇宙の中で新しい宇宙が生まれるかもしれない。 (真空の崩壊)• ニュートン定数 G

これらは定数で無い→ 変化しても良い。

• etc• 電子の質量 𝑚𝑒• クオークの質量 𝑚q

これらは定数で無い→ 変化しても良い。

• etc

全ての「定数」が非常に都合の良い値になっていないと生命は存在できない。

宇宙がたくさんある?

人類は生き残れるのか?

Pratap Kashyap et al 2015

• 「真空の崩壊」はめったに起こらない。(137億年は起きていない。)→ こんな事がありえるのか?

• 宇宙自身も膨張しているので、もし崩壊が起きても遠くならしばらくは問題ない。

可能性その1: 神様が生命のためにこの宇宙を作った。
可能性その2: 宇宙がたくさんある。
49「定数」の異なる宇宙がたくさんあり、その中には生命が存在可能なものがあり、我々はそこにいる。50

超弦理論の描く世界• 種を残すためには宇宙に人類がバラバラに住んだ方が良い。
(どこかは生き残る可能性が高い)
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素粒子物理学の現状

本日のまとめ超弦理論を解明し、宇宙の未来を理解する必要がある。

人類は生き残れるのか?

光速で広がり全てを飲み込み破壊する壁ができる。
(壁の内側では「物理定数」が異なる世界)•13種類の物質•

物質の間に働く力: 4種類•「空間」 = 「重力」•

電子の質量など数十個の物理定数

Pratap Kashyap et al 2015

超弦理論 (仮説)• 「真空の崩壊」はめったに起こらない。(137億年は起きていない。)• 宇宙自身も膨張しているので、もし崩壊が起きても遠くならしばらくは問題ない。
• 種を残すためには宇宙に人類がバラバラに住んだ方が良い。
(どこかは生き残る可能性が高い)
5253•「物質」も「力」も「空間」も「弦」から作られる。

•9次元空間•たった1つの物理定数549超弦理論の今後の課題• 見えない6次元空間• 我々の世界の再現(電子やクオークの質量などをきちんと再現できるか?)• なぜ我々の宇宙は3次元空間か?

(静岡大学 土屋先生)• 宇宙は1つか?
• なぜ超弦理論か?
• 超弦理論以外の可能性は無いのか?
若い学生さん達は是非、素粒子物理を学んで一緒にこれらの謎に挑戦して欲しいです。
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