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第 5 回 市民講座「宇宙と物質の神秘に迫る

第 5 回 市民講座「宇宙と物質の神秘に迫る～物理科学最前線～」の報告
村田仁樹 （京都大学 基礎物理学研究所 ）1. 特集テーマ「物理科学のこれから」2007 年 9 月 30 日（日）、京都大学 21 世紀
COE「物理学の多様性と普遍性の探求拠点」
主催の市民講座「宇宙と物質の神秘に迫る～物理科学最前線～」が京都大学百周年時計台記念館にて開かれました。5 回目となる今回
は、本 21 世紀 COE 最終年度ということもあり、特集テーマを「物理科学のこれから」と題して、田中耕一郎教授（物性物理）、長田哲也教授（宇宙物理）、國廣悌二教授（原子核理論）という物理学・宇宙物理学の未来を担う

図１ 質疑応答の様子。老若男女を問わずたく気鋭の研究者 3 名に、各分野のこれまでの発さんの方々が来場されました。

展や将来の展望について熱く語っていただきました。
講演会場である時計台記念館大ホールには200 名を超えるたくさんの人々が集まりました(図 1)。各講演終了後に設けられた質疑応
答の時間には、予定時間の 15 分という枠に収まりきらないほどたくさんの質問が寄せられました。質問を寄せていたのは中高生から年配の方まで幅広い年齢層の方々で、最先端の物理学に対する一般の方々の関心の高さが

図2

田中耕一郎教授の講演見てとれます。時間内にできなかった質問についても、用意された紙に書いて投稿できる

2. 「光で物質をあやつる」（田中耕一郎教授）ように配慮がなされ、そうして投稿された質

各講演のはじめに司会の柴田一成教授から問のうちいくつかは、3 講演の終了後から閉講演者についての簡単な紹介が行われました。

会までの時間に各講演者が回答していました。 それによると、最初の講演者である田中教授
また、閉会後の茶話会でも、さらに詳細な質(図 2)は 1990 年に京都大学で博士号を取得

問をしようという人々が講演者を囲んで賑わされた大変若い研究者ということで、今回のっていました。本稿では、今回の市民講演にテーマ「物理科学のこれから」を語るに最もついて報告します。

ふさわしい方の一人と言えるでしょう。
私たちの日常生活では光を‘見る’という動作は欠かせないものとなっています。物理

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学においても、光を‘見る’という行為によなります。そして現代では、量子電磁力学にって遠くにある星の位置や温度、組成といっおいて光は「荷電粒子間の電磁相互作用を担た情報を私たちは知ることが出来ます。

う基本粒子」とみなされています。

これに対して、光を‘あやつる’ことで物質の特性を変えてしまおう、という新しい試みに田中教授は挑んでいらっしゃいます。講演では、光とは何か、光からどのようにして物質のもつ情報を取り出すか、といったことについて非常に丁寧に説明された後、本題である光で物質をあやつる話について、実験の画像などを交えながら分かりやすく解説してくださいました。
光とは何か「光は粒子である」、ニュートンは著書『光学』の中でこう主張しています。実際、反射や屈折といった現象は最小時間の原理（フェルマーの原理）から説明できます。最小時間の原理とは、「 光はかかる時間が最小となるような経路を選択する」というものです。屈折も、媒質によって光の速度が異なる、とすることでこの原理から矛盾なく説明できます。
こういった背景から、18 世紀までは光は波ではなく粒子であると考えられていました。
しかし、19 世紀に入ると状況は一変します

図 3 光に対する理解の変遷(図 3)。ヤングによる干渉実験や回折など、粒子説では説明が困難な現象が次々と見つかります。そして、光の波動説に決定打を与え光で物質を見る
物質にはそれぞれ固有の振動モードが存在たのがマクスウェルによる電磁波の発見です。 して、光が照射されるとある波長の光は物質
彼はマクスウェル方程式から電磁波の存在をに吸収され、またある波長の光は反射される、予言し、後にこの電磁波こそが光であると考という具合にして我々は物質固有の色を見るえられるようになりました。

ことが出来ます。光の性質が分かると、それこのようにして今度は光の波動説が信じらを技術的に応用しようという試みも盛んに行れるようになりましたが、20 世紀にはアインわれるようになります。鉄スピンクロスオーシュタインによって再び光の粒子説が脚光をバー錯体という物質では、温度の変化により浴びることになります。彼は光電効果を理由原子配列が変化することで固有振動数が変わに光の粒子性を指摘します。その後、量子力り、色が変化します。また、蛍光塗料などで学が構築されると、光は粒子性と波動性とを使われる蛍光体という物質では、光を照射し併せ持つ‘光量子’として認識されるようにて励起させた分子が中間的な励起状態を経て天文教育 2008 年 3 月号

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第 5 回 市民講座「宇宙と物質の神秘に迫るもとの状態に戻ります。このときに放出する光を我々は見ているのですが、途中に中間状態を経ることにより長時間光を放ち続けることが出来ます(図 4)。

図 4 蛍光体の概念図
光で物質をあやつる
光は相互作用を担う基本粒子だと述べましたが、その相互作用をうまく利用することで物質を制御しようというのが、田中教授の研究テーマです。光誘起相転移という現象では、物質中のある一つの原子に光を照射することでマクロな物性が変化します。この現象は、もともと物質の持っている非線形性を利用することで一原子の変化から将棋倒しのように他の原子の変化を誘起することで起こると言われています。必要なエネルギーは原子一つを変化させる分だけなので、エネルギー効率が非常に高いことがこの現象の特徴です(図5)。
先述の鉄スピンクロスオーバー錯体でも光誘起相転移によって色を変化させることが出

図 5 光で物質をあやつる光誘起相転移の様子来ます。さらに面白いことに、色の変化に伴って体積が 13%も変化します。この変化によ

これまでは‘見る’ことが中心だった光をって近くにある結晶を飛ばすことができます。 用いて物質を制御する、という田中教授の研これをうまく応用すれば、エネルギー効率の究には、単に基礎研究という意味だけでなく非常に高いモーターをつくることも夢ではあ

技術的応用という面からも大変興味深く、こりません。

れからもますます目が離せません。

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東へ（順行）、またあるときは東から西へ（逆行）と動いていくことが分かります。この事
実を天動説の立場から説明するのは非常に難しく、一方、地動説では、地球も惑星も同じようにして太陽の周りを公転しているとすることで簡潔に説明できます。
こうして地動説が定着すると、では星はいったい地球からどれほど離れたところにあるのか、という疑問が自然と湧き起こります。
図6

長田哲也教授の講演

地球と星との距離を求めるときに我々が直接観測するのは、年周視差という量です。年周3. 「赤外線で見通す銀河系－木も森も見たい－」（長田哲也教授）

視差とは、地球の公転から生じる視差のことで、これを測定することで星との距離を求め星形成や銀河形成という個々のトピックスることができます。ところが、最も近い星でについて掘り下げていくだけでなく、宇宙物あるαケンタウリでさえ、年周視差はわずか理学の全貌を知りたい。本講演の副題「木も0.74 秒角という小さな値になるため、観測は森も見たい」は長田教授(図 6)のそんな思い容易ではありませんでした。実際、ティコ・から来ています。講演では、現在の宇宙観がブラーエは年周視差が観測できないことを理確立するまでの歴史的な話や観測技術の発展、 由に地動説を否定していました。それから約そしてこれから期待される観測計画などにつ200 年もの時を経て、1838 年にベッセルの手いて説明されました。図や写真などを巧みににより初めて年周視差が観測されました。し用いて専門用語の使用を出来るだけ避け、大かし、さらに遠い星の位置を知るためには、学の物理を知らない方でも実際の宇宙の様子より精密な測定が必要になりますが、大気なを頭の中でイメージしながら理解できるようどの障害物がある地球上では、精密な観測はにと配慮されていました。そうでありながら困難です。そのため、1989 年にヒッパルコスかつ最先端の物理学を取りこぼすことなく正衛星が打ち上げられ、宇宙空間からの精密な確に伝えられるようにと、話の内容や構成な測定が可能になりました。

どにおいて随所に工夫が伺えました。
銀河系の観測宇宙観の確立天の川銀河の星を数えてみると、我々のい宇宙物理学では、宇宙の状態、例えば天体る銀河が薄いディスク状になっていることがの位置や速度、組成などが観測対象となりま分かります。そのディスクの中心部に棒状のす。夜空を見上げると、あらゆる星は東から構造を持ち、その棒の端から渦を巻くように上り西へ沈んでいきます。これは、相対的にして無数の星が並んでいます。

地球が天体に対して回転していることを意味

銀河系の中心を詳しく継続的に観測すると、しています。では地球と天体のどちらが回転銀河系の中心付近にある星の動きが読み取れしているのか、その手がかりを与えてくれるます。中心部をよく見てみると、不思議な現のが惑星です。何年もかけて継続的に観測を象が確認できます。赤外線で見ると中心は真行うと、惑星は天球面上をあるときは西からっ暗で何も見えませんが、その何も見えない
天文教育 2008 年 3 月号

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第 5 回 市民講座「宇宙と物質の神秘に迫る

ところに星が近づくと、星は急速に加速され、枚の鏡をナノメートル精度で位置合わせし、そこの周りをくるりと回転して、また遠ざか一枚の鏡のように機能させる分割鏡方式を日っていきます(図 7)。この現象は、銀河の中本の望遠鏡としては初めて採用しています。

心に巨大な引力を持った天体、おそらく巨大従来の望遠鏡では星の位置やスペクトルなどなブラックホールが存在する為に起こると考を長時間かけて観測していましたが、この望えられています。星の動きからブラックホー

遠鏡では突発天体など短時間で変動する現象

ルの質量を見積もってみると、なんと太陽のに対するすばやい観測や偏光の観測が可能に3 百万倍にもなります。

なり、新現象の発見が期待されています。

図8

國廣悌二教授の講演

4. 「素粒子」の溶ける話
図 7 銀河系の中心の赤外線像－超高温・高密度の世界の探求－」（國廣悌二教授）
愛 媛 県 松 山 市 出 身 の 國 廣 教 授 ( 図 8) はすばる望遠鏡と次世代望遠鏡

1981 年に京都大学の博士課程を修了し、現在銀河系の中心を詳しく観測しようとしても、 は基礎物理学研究所の教授をされています。
大気の揺らぎによる障害で地球上からの観測研究上は略字の「国広」を使う方が多いそうは容易ではありません。しかし、これを可能です。講演では、ハドロンあるいはクォークにするのが、補償光学という技術です。すばからなる物質の高温度・高密度での振る舞いる望遠鏡では、高度 90km のナトリウム層にについて説明してくださいました。ハドロン

向けてナトリウム D2 線と同じ波長を持った物理学は専門用語が非常に多く、一般の方々レーザーを照射することで、レーザーガイドにはなかなかとっつきにくい分野ではありま星と呼ばれる人工的なガイド星を作り出しますが、國廣教授は噛み砕いて、そして熱心にす。このレーザーガイド星を用いて大気の揺語ってくださいました。

らぎを計測し、それを補償することで、高精度の観測が可能になりました。

現代の物質観と強い相互作用

さらに、2011 年には岡山に口径 3.8m とい電荷を帯びた陽子や中性子がなぜ原子核とうアジア最大級の望遠鏡が建設される計画がいう小さな領域に閉じこめられているのか。

進んでおり、長田教授はその中心メンバーと重力と電磁気力しか知られていなかった時代して活躍されています。この望遠鏡では複数に、核力という新しい力を導入することでこVol.20 No.2

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は弱くなり、クォークとグルーオンが自由に新しい力と新しい粒子を導入するという湯川飛び交うスープのような状態、「クォーク・グの考え方はその後の素粒子物理学の発展の中ルーオンプラズマ（QGP）」になると考えらで大きな役割を果たします。

れます。

その後、陽子・中性子の仲間であるハドロンが次々と発見されていきます。すると素粒子物理学者は周期表との類推から、ハドロンは素粒子ではなく、より基本的な粒子からなる複合粒子だと考えるようになります。そうしてたくさんのモデルが提唱されましたが、その中で最も優れていたのがゲルマンのクォークモデルでした。このモデルではハドロンは 6 種類のクォークからなる複合粒子として記述されます。
しかし、ここへ来てもまた、クォークをハドロンの中に閉じ込める力（「強い力」）は何

図 9 QCD の特徴と閉じ込めか、という問題が浮上します。その問題を（定性的な意味で）解決したのが、「量子色力学（QCD）」です（図 9）。QCD には、粒子間の距離が小さく（大きく）なるほど相互作用が弱く（強く）なる、という性質（漸近的自由性）があり、この性質が閉じ込めの本質だと考えられています。さらに QCD はクォーク間の強い力を担う粒子としてグルーオンの存在を予言しますが、このグルーオンもまた、漸近的自由性のためにクォークとともにハドロンの中に閉じ込められていると考えられて

図 10 QCD の相図います。
QCD と天体現象
QCD の相転移

低温・低密度の現在の宇宙においても局所

通常、「相転移」というと温度・密度などの的には高温・高密度になっているところがあ変化により‘物質’の性質が著しく変わるこります。その代表例が中性子星です。太陽のとを言います。一方、QCD で起こる「カイラ10 倍以上の質量をもつ巨大な恒星の内部でル相転移」（図 10）では‘真空’の変化によは次々に核反応が起こり、鉄の中心核が形成って起こると考えられています。現在の宇宙されます。すると自己重力により中心核は収のような低温状態では上述のようにクォーク縮していき、徐々に温度を上げていくと、鉄は強い力でハドロンの中に閉じ込められていが光子を吸収してヘリウムに分解する吸熱反
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第 5 回 市民講座「宇宙と物質の神秘に迫る
中性子星の中心部分では QGP が出来ていると期待されていますが、中性子星そのものを地球上で作ることは不可能です。しかし、その代わりとして高エネルギーの重イオンを衝突させることで瞬間的に高温度・高密度の状態を作り出し、QGP を再現しようという試みが、アメリカの RHIC と呼ばれる加速器などで近年盛んに行われています。さらに来年度にはヨーロッパの LHC という加速器が稼動予定で、QGP に対する新たなデータが得られると期待されています。

図 11 中性子星内部の物質の状態
5. おわりに応が起こるため、圧力が急激に弱まります。

この市民講座は、普段はなじみのない最先その結果、星は重力崩壊で潰れて超新星爆発

端の物理学を一般の方に広く知っていただくを起こします。

良い機会だったと思います。21 世紀 COE とこの爆発の後には、太陽の約 1.4 倍の質量しては今回が最後となりましたが、市民講座を持ちながら半径がわずか 10km という高密自体は今後も続けていくということです。次度な芯が残ります。高密度の芯の中では、粒は誰がどんな話をして下さるか、とても楽し子のフェルミエネルギーが大きくなります。

みです。なお、1 回目から今回までの講演プ

するとエネルギーの高い電子に対してはβ崩ログラムや、配布資料、講演 ppt ファイル等

壊の逆反応 p+e →n+ν e （陽子が電子を捕獲

は、http://physics.coe21.kyoto-u.ac.jp/

して中性子に変わり、電子ニュートリノを放public.html にあります。

－つ）が著しく促進され、中性子が大量に生成されます。こうして出来るのが中性子星です。
この中性子星の中心部分は超高密度領域となっており、QGP 相が実現されているのでは、と期待されています（図 11）。また現在ではさらに密度の高いクォーク星の存在も予想されていて、すでにその候補と言われる星も見つかっています。ちなみに、恒星の質量が太陽質量の約 30 倍を超えると重力崩壊が止まらず、ブラックホールが出来ると考えられています。
地球上での QGP の再現
初期宇宙の高温度・高密度状態を知るためにも、QGP の性質を実験的に調べることは極めて重要な研究だと言えます。上述のようにVol.20 No.2

村田 仁樹