やさしい物理講座ⅴ67「重力は質量のあるものに作用する」
「138億年前、点にも満たない極小のエネルギーの塊からこの宇宙は誕生した」と物理学界では言われているが、吾輩は懐疑的に考える。これはハッブル氏の天文観測による赤方偏移の究極結論として導き出された間違った結論であると考える。思い出して欲しい。宇宙は観測結果から地球を中心に地球の周りを太陽や惑星が回る「天動説」が考えられていたが、惑星の逆行運動を説明できずにいた。それらを解決したのが「地動説」である。太陽の周りを地球と他の惑星が回る事で、地球から観測すると見かけ上の逆行運動が観測されるのである。
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Apparent_retrograde_motion_of_Mars_in_2003.gif
この様に「天動説」と「地動説」と同じような過ちを犯していると思われる。これを「ビックバン理論」・「インフレーション理論」・「膨張宇宙論」などすべてハッブル氏の観測結果の解釈を「遠方の星ほど赤方偏移している」と捉えたのである。その理由として、「光の赤方偏移は光源の運動によって観測される」の帰結として導き出されたものであるが、とても現在の古典物理学では信じられない結論であった。
今回は量子力学の報道記事を交えて相対性理論の矛盾を紹介する。
皇紀2684年5月6日
さいたま市桜区
政治研究者 田村 司
相対性理論の矛盾と誤り
重力は物体同士が引き合う力であり、ニュートンの万有引力の法則によって表されます。 一方、質量は物体が持つ物質の量を表し、物体の慣性を示す指標です。 重力と質量は異なる意味を持ちますが、密接に関連しています。 重力は物体同士が引き合う力であり、質量が大きいほど引力が強くなります。 質量は物体の大きさや形状には依存せず、物質の総量を示します。重力の引力は質量に作用する。そして、質量は物体の慣性を示す指標として使われている。つまり、質量が「０」と言われている「光子」には慣性力が働かないのである。そのことから「光子」には重力が働かない。以前のブログでも概略を論じているのでご確認ください。
一般相対性理論(等価原理）の錯誤 副題 光は重力の影響を受けない｜tsukasa_tamura (note.com)
つまり光は重力で曲がらない。時間も短くならない。小説に出るタイムマシーンは空想でありあり得ない話である。その一例のパラドックスは光の速度に近いロケットで宇宙旅行したら戻ってきたら地球は時間（歳月）が進み浦島太郎のような状態にはならない。このような間違いは一般相対性理論が間違った理論であることが分る事例である。ひどいこじつけ理論としては、光は直進して曲がらないが重力は空間を捻じ曲げるから直進する光がその歪んだ空間を直進するからであるとの釈明がある。研究者の諸君！騙されないように、眉唾の準備を！
次に量子力学の報道記事を紹介する。
もはや魔法では…この宇宙を支配する「4つの力」が秘めた「不思議すぎる性質」
高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所 の意見
138億年前、点にも満たない極小のエネルギーの塊からこの宇宙は誕生した。そこから物質、地球、生命が生まれ、私たちの存在に至る。しかし、ふと冷静になって考えると、誰も見たことがない「宇宙の起源」をどのように解明するというのか、という疑問がわかないだろうか？
＊本記事は、高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所・編『宇宙と物質の起源「見えない世界」を理解する』（ブルーバックス）を抜粋・再編集したものです。
世界に存在する「4つの力」
前回の記事で、この宇宙にあるものは素粒子でつくられているという話をしました。でも、宇宙は「もの」だけではできていません。例えば、サッカー場にボールを持って選手が集まっただけでは、サッカーの試合をしたことにはなりません。ドリブルして、パスして、シュートをすることで、サッカーをしたと言えます。このドリブルして、パスして、シュートしてという動きについて、ここまでまったく触れてきませんでした。この動きを生み出す作用を「力」と呼びます。
この宇宙では、ものだけがあっても、力が働かないと何も起きません。力と聞いて、皆さんはいろいろな力を思い浮かべると思います。ボールを蹴ったり、ゴールに点が入らないようにボールを止めたりする力。ボールを投げたり、バットで打ったりする力。鉛筆の芯を折ってしまう力。「おしくらまんじゅう」をする力もあるでしょう。私たちはいろいろな種類の力を使っている、と思っています。
でも、本当にたくさんの種類の力を使っているかというと、そうではないのです。この宇宙に働いている力を整理していくと、作用ごとに分類できることがわかりました。そして、最終的に残ったのは4種類。その4つの力を順に見ていきましょう。
感謝しかない「電磁気力」
「表：４つの力の大きさと、それぞれの力を伝える素粒子」を見てください。まず、私たちが一番お世話になっているのが電気の力と磁気の力を統括して捉えた「電磁気力」です。私たちは24時間365日、一瞬たりともこの力を使わないときはありません。
私たちの身の回りにあるものはすべて原子でできています。実は、原子が分子としてくっついていることができるのも、電磁気力のおかげです。ものに触れて蹴ったり、止めたりと力を加えるときにはすべて、この電磁気力が働きます。もちろん、「おしくらまんじゅう」のときも、鉛筆の芯を折るときも、日常生活で私たちがものに関わるときはたいがい、この力が働いています。
寝ているときは、何も力がかかっていないのでは？ 果たしてそうでしょうか。寝ているときでも、ベッドや布団と接していますから、そこではやはり電磁気力が働いています。しかも、ベッドや布団が動かないで止まっているのは、ベッドや床との間に摩擦が働いているからです。この摩擦も、床と布団の間に電磁気力がかかることで発生しています。
私たちがご飯を食べて動き回るとき、食べ物から吸収したエネルギーは最終的に電気になって筋肉を動かします。また、目や耳などで捉えた情報は電気信号の形になって脳に運ばれますし、考え事をしているときも、神経細胞の中を電気が走ります。こう考えると、さまざまな場面で電磁気力に仕事をしてもらっていることがわかります。私たちは実に電磁気力をたくさん使っています。
「落ちるリンゴ」と言えば…
私たちが普段接している力は、電磁気力の他にもう1つあります。それは地球からの「重力」です。
重力はイギリスのアイザック・ニュートン博士が発見したことで有名です。ニュートン博士はリンゴが落ちる様子を見て、重力を発見したといわれています。
ニュートン博士は、リンゴは落ちるのに、なぜ月は宙に浮かんでいるのか？ それが気になったのです。そしてニュートン博士は、実は月だって落ちていることを数学によって導き出しました。落ちているけれども地上に対してすごいスピードで水平に動いていて、落ち切らずに地球の周りを回っているのだと。月もリンゴも何でもかんでも落ちるのだと。
地球が引っぱっているのはリンゴと月だけではありません。すべてのものの間で働く引っぱり合う力という意味で「万有引力」と教わった人もいるでしょう。
私たちが地球上で暮らしていけるのは、地球が大きな重力で私たちを引っぱってくれているからです。月が地球の周りを回っているのも、地球と月が重力で引っぱり合っているからです。もし、地球の重力が月に働いていなかったら、月はとっくの昔に、どこか遠くに飛んでいってしまっています。同じように、地球は太陽の巨大な重力と引っぱり合っているから、太陽の周りをぐるぐると回っていられるのです。
その他の「２つの力」はどこへ？
4つの力のうちで私たちが日常的に接しているのは、電磁気力と重力の2種類だけです。
4つの力のうち、電磁気力と重力以外の力は、原子核よりも狭い範囲にしか働かないので、20世紀になって原子核を研究することによって初めて、そういう力があることがわかってきました。
明らかになった2つの力は、「強い力」と「弱い力」と言います。冗談のように聞こえる名前ですが、れっきとした物理学用語です。でも「強い力」と「弱い力」だけでは何のことだかわかりません。
実は、この名前は大事な部分が省略されています。強い力は「電磁気力よりも強い」力、弱い力は「電磁気力よりも弱い」力なのです。強い力は強い相互作用、弱い力は弱い相互作用とも言います。
強い力は、クォーク同士をくっつけて陽子や中性子をつくるときに使われる力です。この力があるおかげで、プラスの電気をもったアップクォークが複数あっても、マイナスの電気をもったダウンクォークが複数あっても、それらをくっつけて陽子や中性子をつくります。また、プラスの電気をもっている陽子と電気をもっていない中性子をくっつけて原子核をつくるのにも役立っています。
一方、弱い力は他の3つの力と違い、何かを引き寄せたり、押しのけたりする力としては働いていません。例えば大理石からは微量の放射線が出ていますが、このとき、弱い力が働いて粒子の種類を変化させ放射線が出ます。弱い力は、粒子の種類を変える錬金術のような力です。
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真空では「考えられないこと」が当たり前のように起きている…量子色力学から見た「トリッキーすぎる世界」
高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所 によるストーリー
138億年前、点にも満たない極小のエネルギーの塊からこの宇宙は誕生した。そこから物質、地球、生命が生まれ、私たちの存在に至る。しかし、ふと冷静になって考えると、誰も見たことがない「宇宙の起源」をどのように解明するというのか、という疑問がわかないだろうか？
何もない真空で起こっていること
クォークに働く強い力。その基礎理論は「量子色力学」と呼ばれています。
量子色力学は、電磁気力の理論と非常に似たものですが、電荷に相当する「色荷」が3種類（3色）あるところが、大きく異なります。そのために電磁気力を伝える光子に相当するグルーオンはそれ自身が色荷をもち、強い力を伝える役割を担うだけでなく、クォークと同じように、それ自身が力の源にもなるのです。すると、どうなるでしょう。
クォークには強い力が働きます。力を伝達するグルーオンにもやはり強い力が働き、その力を伝達する別のグルーオンにも……、という具合に力が雪だるま式に増えていきます。
つまり、遠くで働く力は、やがて無限に強くなります。これこそが、強い力が「強い」理由で、クォークが単独で存在できない理由でもあります。ただし、「無限に」強い力というのはあり得ません。そこでは何かおかしなことが起こっているはずです。
雪だるま式に力が強くなる量子色力学では、通常では考えられないことが起こります。強くなった力の影響を受けるのは、クォークだけではありません。普通は何もないと考えられる真空も大きな影響を受けるのです。どういうことでしょう。
ミクロの世界の基本原理である量子論では、粒子などが存在しない真空から粒子と反粒子の対生成が起こってもよい、ということがわかります。エネルギー保存の法則を破るから駄目だと思われるかもしれませんが、ごく短い時間のうちに対消滅により再び消えてしまえば、量子力学の不確定性関係の許す範囲内で可能なのです。
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こうして真空からいつの間にか対生成で生まれたクォークは、やはり色荷をもっているので、例によって雪だるま式に強い力が働き、力を伝える役割のグルーオンを次々と生み出します。再び対消滅するまでの間に、こうしたややこしいことが起こっているのです。
何もないと思っていた真空では、クォークの対生成・対消滅に引き続いてグルーオンが次々と湧き出ては消えるのを繰り返している。真空にはクォークと反クォーク、それにグルーオンが埋まっている、と言ってもよいのです。
真空中の「クォーク」に何が起きているのか？
真空が何もない空間ではなく、クォーク・反クォーク、グルーオンで満たされた空間だとしたら、何が起きるのでしょう。そこにクォークが1個飛び込んできたとします。このクォークは、真空中に埋まった反クォークと対消滅を起こします。ただし、そのままではエネルギーが保存されないので、同時に真空中からクォークをたたき出すことになります。
クォークが真空中で玉突き衝突を起こしたと思ってください。玉突き衝突はクォークが進むにつれて次々と起きます。全体としては1個のクォークが走っているように見えるかもしれませんが、実際は多数の玉突きの結果ということになります。
photo by iStock© 現代ビジネス
クォークにとって、この真空中を進むのは一苦労です。簡単には進めず、常にある種の抵抗を感じながら進むことになります。このことは、「クォークが質量を獲得した」と表現してもよいですね。本来は光速で飛ぶはずのクォークが減速される。その度合いが質量として現れるためです。得られる質量の大きさは、真空中に埋まったクォーク・反クォークの密度によります。この質量は、およそ陽子・中性子の質量の3分の1程度です。そのクォークが3個集まると、陽子・中性子の質量になっているのです。
物質の質量のほとんどは陽子・中性子に帰せられる、といま述べました。そして、陽子・中性子の質量は、量子色力学の性質にしたがって真空に埋まったクォーク・反クォークに起源をもつと。物質の質量の起源を突き詰めていくと、真空に行きつきます。驚くべきことではありませんか。しかも、話はこれで終わりではありません。わずかであるとはいえ、電子にも質量があるのでした。その電子の質量は、どこからきているのでしょう。
その話をする前に、そもそも、なぜわれわれは質量の起源を気にしているのでしょう。電子には、ある値の質量がある。そういうものなのだ。そう考えてはいけないのでしょうか。実際、ある時期までは、それで問題ありませんでした。「パリティ対称性の破れ」が見つかるまでは。
「パリティ対称性の破れ」とは…？
素粒子物理における数々の発見の中で最も驚くべきものは、おそらく1957年の「パリティ対称性の破れ」の発見でしょう。日本語では「鏡映対称性の破れ」と呼ばれます。
磁場の中で右回りに回転する粒子と左回りに回転する粒子に働く物理法則は異なります。単純に考えると、右回りと左回りは互いに鏡に映した世界なので、すべての左右をひっくり返せば同じことが起こりそうに思えます。しかし、自然はそうなっていないらしいのです。
その後の発展によってわかったことは、自然界の4つの力の1つである「弱い力」が、右回りと左回りを区別していることでした。弱い力は、原子核のベータ崩壊（原子核が電子とニュートリノを放出して種類を変える反応）を引き起こす力として知られています。
重力や電磁気力は、右と左を入れ替えても法則は変わりません。私たちの日常でパリティ対称性の破れを感じられないのは、弱い力が日常的な距離のスケールでは弱すぎて実感できないためです。弱い力が顔を出す原子核や陽子・中性子のスケールにまでズームすることで、初めて違いが見えてきたのです。
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参考文献・参考資料
もはや魔法では…この宇宙を支配する「4つの力」が秘めた「不思議すぎる性質」 (msn.com)
真空では「考えられないこと」が当たり前のように起きている…量子色力学から見た「トリッキーすぎる世界」 (msn.com)
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