質問: 早速質問に移らさせていただきたいと思います。 物質は、最小単位である原子がぎっしりと並ぶことにより構成されていると聞きます。しかし、原子は、球体のため、ぎっしり並んだところで、隙間ができるはずです。この隙間はどういった物質で満たされているのでしょうか?空気なのでしょうか?しかし、空気とは混合気体であり、それぞれも原子からできているので、中に入り込むことはできないと思います。となると、真空と考えるべきなのでしょうか?どうか、よろしくお願いいたします。
回答: >真空と考えるべきなのでしょうか? これは物質の存在に関わるけっこう難しい 問題で、最終的結論はまだないというのが 正確でしょう。 現時点においては、量子力学的 解釈として、物理的真空状態というのが存在 しているという説明が成り立つと思います。 原子と原子が結合しているのは、イオン結合 とか共有結合とかいろいろな形で引力が働いて いるからですが、これらは一言でいうクーロン力 です。 クーロン力は仮想光子によって伝達されていますので、 原子核と電子間も含め、原子間にはこの仮想光子が 発生消滅する場が存在しているのですが、この光子が 仮想と言われているのは、その存在はクーロン力の 発生から分かるのですが、プランク時間以下という 非常に短い時間しか存在していないので、それ だけ単独で取り出せないのです。 しかも光子が存在しているということは本来、 エネルギーが存在していると言えるはずなのですが、 単独で取り出せないというところからも分かるように エネルギーが測定できない、何もないのと同じなんです。 クーロン力を伝えるために仮想光子は無からいきなり 生まれ、すぐ消えてしまう。これを量子力学的 揺らぎといい、これはプランク時間以下という非常に 短い時間には、エネルギー保存の法則が破られて いることを意味します。 原子間には、そこに何かがあるかどうか 測定しようとすると、何も観測できないが 存在が確認できない仮想光子が発生消滅を 繰り返す場が存在しているのです。 真空というと何もないという印象があると 思いますが、仮想光子が生まれるということは 本当に何もないというのとは少し違う。 このような量子力学的揺らぎが存在して いる状態を物理学真空といいます。 >物質は、最小単位である原子がぎっしりと並ぶことにより構成されていると聞きます。 20世紀初頭に確立した分子論、原子論から くる粒子論の考え方からはそうゆイメージに なりますが、素粒子の衝突実験などから 1960年代になると、粒子という存在が 疑われ始めました。 物質の基本単位が原子であれ、クウォークであれ それが粒子であるとすると矛盾するような実験結果 が出始めたのです。 物質の究極の形が粒子でないことはほぼ間違いない。 ではいったい真の姿は何なのか議論が始まりました。 まだ結論に至っていないため、高校の物理や 大学でも化学の世界などでは、暗黙のうちに 粒子論を定説として扱っていますが、 原子がぎっしりと並ぶといったイメージは、 真の姿からはほど遠いと考えて間違いないでしょう。 現在、非粒子論の最有力候補は超弦理論ですが、 この理論も物理現象のある側面を捉えているに 過ぎない可能性が出てきておりさらなる発展が 期待されています。 超弦理論のほかにもいくつか有力候補があるのですが、 どれが正しいということではなく、1つ現象を 皆違って角度で捉えているだけという可能性が でてきており、最新の物理学理論全体の再構成が 望まれてきています。 それらいくつかの理論をおおざっぱに捉えると、 物質と空間というのは、同じ存在の裏と表のような 関係で、人間が勝手に何もない真空に物質という 存在があると捉えているだけという可能性が 強くなってきています。 現時点では数式による議論が進行中で、 並んでいる原子のように、イメージを 具体的な絵でか書き、簡単に説明する ところまで行っていませんが、基本と なるのはおおざっぱに言うと数学の複素空間、 多様体と呼ばれているものです。