やさしい物理講座ⅴ94「素粒子物理学から見た光子（素粒子）の質量の考察と一般相対性理論の誤謬を正す。」
証明されない仮説が独り歩きしている。天動説が地動説に改められるまで400年かかった。一般相対性理論も100年経過した。まだ改められるまで300年かかるだろう。このようにことを後述するが、アインシュタインの主張した「時空」とは実際には自然物理現象としては起こりえない「フィクション（空想）」の世界であり、空想の理論を真顔で論じている物理学界に失笑を禁じ得ない。しかし、彼らは真顔なのである。芥川龍之介の言葉を借りると「相対性理論はマッチ箱のようなものである。まじめに議論するには馬鹿馬鹿しい。でも粗末に扱うと危険である」このように誤謬のまま物理を学ぶ学生に誤謬の学問を教えていく恐ろしさがある。今では常識である「天動説と地動説」のような学問（一般相対性理論）があと300年も続くとは恐ろしい。「重力で光（電磁波）は曲がらない、時間も遅れない」と主張し続ける以外はない。ガリレオ＝ガリレイの「それでも地球は回っている」の心境である。
今回は表題に則して素粒子物理学から解説する。
皇紀2684年7月4日
さいたま市桜区
理論物理研究者 田村 司
質量の起源
素粒子の標準模型
現在の素粒子物理学の理解(標準模型)によると、物質を構成する基本構成粒子は、6種類のクォークと6種類レプトンであり、重力、電磁気力、弱い力、強い力の4種の力による相互作用が素粒子間に働くことで、この宇宙を形成しているとしています。
この標準模型はこれまで実験的に観測された様々な素粒子現象を非常によく予言する能力を持っています。
しかしながら、６種のクォーク、６種のレプトンがなぜ独自の質量を持つのか、同じクォークであるにも関わらず、最も軽いアップクォークと最も重いトップクォークとの間には100,000倍もの質量差 (物質の基本粒子と呼ばれるクォーク同士に、ハエと象くらいの重さの違いがある！) があるのか、そもそも、素粒子は質量をどうやって獲得するのか、そんな当たり前そうに思えることが、素粒子の世界では解っていないのです。
質量とは？
素粒子の動きにくさを表している。
質量がゼロの素粒子は光の速度で移動しつづけます。そして、止まることができません。
一方、有限の質量を持つ素粒子は、光よりも遅い速度でしか運動できません。
1960年代に作り上げられた理論による理解では、宇宙はヒッグス粒子で満たされており、そのヒッグス粒子の海の中を素粒子が運動することで生じる抵抗力が質量となって現れてるとしています。重たい粒子は、ヒッグス粒子との抵抗力が大きいので質量が重く、光はヒッグス粒子の抵抗を感じないので、質量が０であると考えます。ヒッグス粒子が質量起源の謎の鍵となる粒子なのです。
ヒッグス粒子はどこに？
ヒッグス粒子は実験的に未発見です。
スイス・ジュネーブ近郊にある周長27kmの巨大加速器LHC(Large Hadron Collider)は、光速の99.999999%にまで加速した陽子と陽子を衝突させることでビッグバン直後の初期宇宙世界を作り出すことができます。我々は、この加速器で作り出されたヒッグス粒子を検出器で捕らえようと試みています。2011年12月13日にヒッグス粒子の探索に関する現状報告を行いました。これまでの実験と2012年に取られるデータによって、いよいよ、その発見が近づいていると期待されています。
等価原理
物体の質量を測るには2つの方法がある。1つ目は物体にかかる重力を用いる方 法である。2つの球体の質量をそれぞれ
とする。中心間の距離を
と すると2つの球体にはたらく重力は万有引力の法則により、引力の向く方向を負 と定義すれば
(3.1)
と表される。この重力を用いて測定される質量を重力質量とよぶ。2つ目の方法 は、物体にはたらく加速度を用いるものである。ニュートンの第2法則によると 力
と加速度
の間には
(3.2)
の関係がある。重力はゼロでも加速度を用いれば質量を測ることができる。 こうして測定される質量を慣性質量とよぶ。この2つの方法で測定された質量が 同じである、即ち重力質量と慣性質量が同一であることを等価原理とよぶ。も し、等価原理が成立しないとどうなるのであろうか？地球の表面近くにある小物 体の重力加速度を考えてみよう。地球の質量を
、地球の半径を
、鉛直下向きを 負とすると重力加速度
は小物体の重力質量
慣性質量
を用いて
(3.3)とかける。
もし、等価原理が成立していないのであれば、比
が物体や 組成ごとに異なり、重力加速度も一定ではないことになる。しかし、実験による と重力加速度は極めて良い精度で一定値をとり、重力質量と慣性質量 は
以内で等しいことが分かっている。
つまり重力質量と慣性質 量は事実上「等しい」のである。
次の文章の内容中に誤謬がある箇所を指摘する。
量子力学でも分かっているが、質量がゼロの素粒子は光の速度で移動しつづけます。そして、止まることができません。つまり、光は質量０であり、真空中では、加速も減速もできない。つまり、光には慣性力が働かない。そして、重力は何に力を及ぼすかというと質量のあるものに働く。重力質量と慣性質 量は事実上「等しい」といっているのに光の取り扱いが矛盾しているのである。この矛盾を「重力により空間を曲げる」との詭弁を使いだした。光は水やガラスなどの透過性のある物質を通過する過程で屈折を起こすことが知られている。宇宙空間にも宇宙空間ガス物質が存在することが知られている。太陽の周りのもガスが存在している。そのガスが重力で濃淡の層を作り出す。そのガス層を通過するときに屈折することは想像に難くない。そのような自然の屈折現象・宇宙現象を捕えて光が重力で曲げられたとか重力レンズと騒ぎ、一般相対性理論の証明だと騒ぎ立てるのは科学者としていかがかなものであろうか。光は物質に吸収・放出されるときは粒子性のある振る舞いをするが、伝播するときは電場・磁場の交互発生で伝わる。そして重力場と電磁場は素粒子として相容れない「力」である。それを詭弁を使い真っすぐに進む光は重力により曲げられた空間を通るから光は重力により曲げられたと言い訳する。挙句には思考実験の「光時計」では光の素粒子に慣性力を働かせて、時間との矛盾を「時間の遅れ」と解説している。誠に支離滅裂な理論である。
「光時計」の思考実験の誤謬
「光時計」の前提は光を「粒子」として捉えて、その「粒子」の運動（伝播）により「時間」刻むものとして、思考実験をしている。
アインシュタインの思考実験
1、「光時計」は右にＶ１の速度で移動すると想定・・・B
２、「光時計」の上まで「光粒子」が移動するものと想定
（静止しているときの条件）・・・A
３、 光粒子は軌跡上を、「ⅽ」の速度移動する・・・C
ピタゴラスの定理 A²＋B²＝C²
光速度不変の原理を当てはめると
時間の遅れ（time dilation) が生じると主張。
運動する電車内でボールを真上に上げた運動は電車内での運動（慣性系１）は上下運動をするが、線路を走る電車の中のボールを見ると放物線を描くこと（慣性系２）が良く知られている。
さて、問題は、
⑴、「光粒子」には前述のような、慣性力が働くか否か？
⑵、「光時計」のように「光粒子」は動くのか？
この解答は、光粒子には質量がないから慣性力が働かない。「光粒子」は「光時計」のような運動の影響を受けない。その根拠は次をご参照ください。
近年の量子力学や素粒子論、光エネルギー学に従うと「光は粒子として伝播しない。光は伝播するときは電磁波として伝播する。」と結論付けられている。そして、思考実験のような実験は成り立たないので、それにより導き出された「時間の遅れ（time dilation)」としての理論は成立しない。
・・・以下、報道記事掲載・・・
アインシュタインは等価原理に基づいて重力場中では時空が「ゆがむ」ことを 次の思考実験により導き出した。いま宇宙船が地上で静止していたとする。この とき宇宙船の物体には鉛直下向きに
の大きさをもつ重力加速度がかかって いる。さてこの宇宙船が地球を離れ、天体の重力の影響を受けない宇宙空間に 出たとする。このとき宇宙船が進行方向に一定の加速度
で運動すれば、 船内の物体には大きさ
のみかけの力、すなわち慣性力が逆向きに働く であろう。
このとき、宇宙船内にいる人は地上にいるのか宇宙空間にいるのか 区別することができるであろうか？
アインシュタインはこの問に否と答えた。 宇宙船の大きさが地球に比べじゅうぶん小さい限り、区別することはできないの である。なぜなら重力質量と慣性質量は等しいからである。さて、一定の加速度 で運動している宇宙船内で加速の向きに垂直に光を飛ばしてみよう。重力のない 場所で光はまっすぐに進むはずであるから、宇宙船内では光線の経路は曲がる であろう。もし、宇宙船内にいる人が地上にいるのか宇宙空間にいるのか区別 することができないのであれば、地上で静止している宇宙船内でも同じ現象が 起こるだろう。つまり、光線の経路は同様に曲がるであろう。アインシュタイン はこの重力場中での光線の曲がりを「時空のゆがみ」で説明することに成功した。 光はゆがんだ時空中をまっすぐに進む。この経路を光の測地線とよぶ。重力のな い場所で加速運動する系では時空はゆがまない。そのかわりに座標がゆがむ。重 力のある場所で静止している系では座標はゆがまない。そのかわり時空がゆがむ。 両者は時空の大きなスケールでは異なる現象であるが、小スケールで比較すると 違いがない。時空のゆがみを正確に記述するには微分幾何学とよばれる数学 を使う必要がある
参考文献・参考資料
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