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* 量子・相対論14:弱い力の提唱(1967年:ワインバークら)

Q91: 現在、自然界で働いている重力など「力」の種類は何種類あるか?

たった4種類しかないの?と少なく思ったかもしれないが、科学者は多すぎると考え、これらを1つに統一しようと努力してきた。そして、電磁気力と弱い力は同じ源であり統一的に説明できることが1967年に分かった(電弱理論)。さらに1974年、それに加え強い力を含めた3つの力を統一的に説明できる「大統一理論」が提唱され、その成否が検証されつつある。しかし残念ながら、まだ重力をも含めた完全な統一理論は完成されていない(超絃理論という候補がある)。ところが宇宙の開闢のなぞを解くビッグバンモデルによると、宇宙の始まりには力は1つしかなく、宇宙の膨張(エネルギー密度の低下)につれて、一つの力が時間と共に分裂してきたと考えられている。まず宇宙が始まり10^-44秒後に一つの力から重力が分離する。さらに10^-36秒後に原子核を作っている強い力が分離し、最後に10^-11秒後、電磁力と弱い力が分離して4つの力が出揃うことになったというものだ。

 ところでその昔、電気の力と磁気の力は異なったものと考えられて来た。確かに物をこすり合わせて静電気を発生させた時に引きあう力と、磁石のN極とS極が引きあう力が同じだと言われてもピンと来ない。それらの力は電荷のクーロン則と、磁荷のクーロン則という形は似ているものの、別々の2つの法則で考えられていた(1785年)。ところがその後、電気と磁気が互いに関係しあい、電磁誘導作用などお互いに相互作用を及ぼすことなどがわかってくると、これまでのばらばらな法則をまとめて表すことができないか?という発想が生まれ、英のマクスウェル(James Clerk Maxwell、英、1831~1879年)によって電磁気の法則としてまとめられたのである。この統一により「電磁波の存在」が予測され、その後実証された(第44話参)。このように本来一つであるものが見かけ上分離して見えることは良くあることで、統一化することで新たな発見がなされる可能性がある。

 「力」にはその作用を生む媒介である「粒子」(ゲージ粒子と言う)を必ず伴うことが、(場の)量子論により分かっている。例えば、電磁力は荷電粒子が「光子」をキャッチボール(交換)し合うことで生じている。電子は「光の衣」を着ていると言われることがあるのは、このキャッチボールの材料である光を常にまとっている、ということを意味している。その為、電子の動きを急に曲げたり、物質中を光速より速く進行させたりすると、着ていた光が電子から剥がされる現象がある(チェレンコフ放射等)。このことより4つの力にはそれぞれ対応するゲージ粒子があって、重力は「重力子」(まだ見つかっていない)、電磁力は「光子」、弱い力は「ウィークボゾン」、強い力は「グルーオン」が媒体粒子(それぞれは素粒子;第89話参)となる。力の統一とはこれらの粒子の統一(同一性)をも意味している。

 さてここでワインバーグ(Steven Weinberg、米、1933年~)に登場してもらおう。彼は電磁力と弱い力を統一する理論を作りあげた代表者である。1979年にこの功績で旧友のグラショー(Sheldon Lee Glashow、米、1932年~ )そしてパキスタン人研究者のサラム(Abdus Salam、パキスタン、1926~1996年)と共にノーベル賞に輝いている。彼は1933年ユダヤ系移民の両親の下ニューヨークに生まれた。1950年ブロンクス科学高校に入りグラショーと同級となる。その後共にコーネル大に進学。卒業後ボーアの研究所に1年間留学をして研究の方向性を定め帰国。1957年、24歳でプリンストン大より博士号を得る。その後コロンビア大、UCバークレイ、ハーバード大、MITを歴任しながら素粒子物理の研究を進め、1967年いよいよ「電弱統一理論」を作りあげる。これは旧友のグラショーが1961年に提唱した電弱統一基本モデルを「自発的対称性の破れ」の概念を用いて発展させたもので、最近(2012年)発見されたヒッグス粒子(Peter Ware Higgs、英、1929年~)の存在を仮定した理論にもなっている。

 電弱理論を簡単に紹介しよう。ビッグバン後10^-10秒の時間まで宇宙は1000兆K(ケルビン)の温度を保っていた。それほど温度が高いため、質量を与えるヒッグス粒子は蒸発しており弱い力を媒介する粒子WボゾンとZボゾンは質量を持つことができず、本来無質量の光子と区別がつかない。これはそれぞれが作りだす弱い力と電磁力が同一であることを意味する。ところが10^-11秒以降に、宇宙の温度が下がり、ヒッグス粒子が表れると自発的対称性の破れが生じW/Zボゾンは質量を得ることになった。この時、光子との区別が生じ、弱い力と電磁力が分離する、というシナリオが理論の骨子である。2012年のヒッグス粒子の発見は、この理論の証左となる大きな成果と言えるだろう。

 「強い力」とは原子核を固める役割の力だが、「弱い力」とはいったいどういう働きをしているのだろう?これは核内粒子のレプトンやクォーク(第89話参)に作用しそれらを崩壊させて、粒子の種類を変化させる力であり、「対称性」に影響を及ぼす重要性を持っている。物理法則は「C:粒子と反粒子」「P:鏡像」「T:時間の向き」に関して同様に成立することを対称性と呼び、これら全ての対象性が満たされているのがこの宇宙だと考えられていた。ところが1956年、中国系科学者、李(李政道、り せいどう、中国⇒米、1926年~ )と楊(楊振寧、よう しんねい、中国⇒米、1922年~ )が弱い力はP対称性を満たしてないことを発見し衝撃を与えた。又、現在の自然界に反粒子が少ない説明のきっかけを与えてもいる。「弱い」とは言え無視できない重要性を持っているのである。

宿題91:5つ目の力が考えられているというがそれはいったい何だろう?

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