やさしい物理講座ｖ21「未発見の重力子、そしてKAGRA計画の重力波測定の研究成果の出ない理由」
重力と万有引力の研究をしてから、早40年、物質に働く力として現象面では認識できるが、未だ、その実体が不明である。ある者は重力波という波が力を伝播するという論説に基づいて、大掛かりの装置「KAGRA」で重力波の測定をしている。それは、研究成果がでないと断言する。観測装置の感度の問題でもない。今回はそれを命題に論じたい。
2021.11.30
さいたま市桜区
理論物理学研究者 田村 司
はじめに
今、手元に、2015年（平成27年）11月29日（日曜日）読売新聞 12版 暮らし教育欄p21のスクラップ（新聞切り抜き）がある。それからの出来事と成果を注視している。重力波観測の研究成果のでない理由について後述する。
重力子の解説
重力子（じゅうりょくし、英: graviton、グラビトン[3]）は、素粒子物理学における四つの力のうちの重力相互作用を伝達する役目を担わせるために導入される仮説上の素粒子。2021年までのところ未発見である。
アルベルト・アインシュタインの一般相対性理論より導かれる重力波を媒介する粒子として提唱されたものである。
スピン2、質量0、電荷0、寿命無限大のボース粒子であると予想され、力を媒介するゲージ粒子である。
重力波の研究成果
ノーベル賞学者「予算獲得で誇大論文」 190億円「KAGRA計画」は破綻していた【先出し全文】（文春オンライン） - Yahoo!ニュース
ノーベル賞学者の梶田教授をトップに据えた国家的プロジェクト「KAGRA計画」。だが、その研究成果に疑義を呈する声が上がっている。小誌が入手した計6時間に及ぶ会議音声、学術論文、内部文書を解析すると――。
ノーベル賞学者の「KAGRA計画」 重力波の検出は事実上、不可能に
10/20(水) 16:12配信
ノーベル物理学賞受賞者の梶田隆章氏（62=東京大学宇宙線研究所所長）が研究代表者を務める「大型低温重力波望遠鏡KAGRA計画」。今年6月末、目標としてきた数値を大幅に引き下げ、事実上、重力波の検出が不可能になっていることが「週刊文春」の取材でわかった。KAGRA内部の会議音声などを入手した。
【画像】KAGRAの真空パイプが通るアームトンネル
旧神岡鉱山（岐阜県飛騨市）の地下に建設されたKAGRAは、重力波を捉える装置で、昨年2月から本格的な観測を始めた。 「重力波とは、非常に重い天体が加速度運動する際に生じる時空の歪み。観測することで宇宙の成り立ちやビッグバン発生のメカニズムなどを解明できるとされます」（科学部記者） 2012年に〈世界の学術研究を先導する画期的な成果を挙げる大型プロジェクト〉として、文科省の「大規模学術フロンティア促進事業（2013年度～2022年度）」に採択されたKAGRA計画。以降、日本学術会議が3年ごとにまとめるマスタープランを踏まえ、文科省がロードマップを策定してきた。 文科省研究振興局によれば、投じられた税金は建設費164億円、運営費26億円。計190億円に及ぶ。 KAGRAはこれまでシナリオペーパーで、欧米の研究機関と共同で行う〈O4観測（第4期観測）〉で、〈25～130MPc（メガパーセク）〉の感度を達成することを掲げてきた。 「シナリオペーパーは、予算申請にも活用される最重要論文です。いわば、実際の重力波観測に向けた工程表。毎年、米国の研究機関LIGOのHP上で最新版がアップされ、学術雑誌に掲載されます」（KAGRAの研究者） O4観測は、直近のシナリオペーパーを提出した2020年9月時点では、「2022年1月～2023年1月」の期間を予定していた。その後、コロナ禍もあって、「2023年8月～」に先送りになっている。
O4の感度目標を引き下げ。これに対し梶田氏は…
一方、MPcは感度を表す単位で、重量波望遠鏡でどれほど遠くの宇宙を見ることができるかを表した距離の指標。2015年9月に重力波を世界で初めて観測し、後にノーベル物理学賞も受賞したLIGOは、初観測の時点で約60MPcの感度だった。 「重力波が観測できる最低ラインの感度は25MPcと言われている。そこでKAGRAは、来夏から始まるO4観測で、25～130MPcという感度を掲げてきたのです」（同前） ところが、今年6月30日、KAGRAの最高幹部が集まるオンライン会議「KAGRA テレコム」で、研究代表者の梶田氏は英語で以下のように述べた。 「O4が目標としていた感度ターゲットは25～130MPc。しかし、この目標を達成することは放棄すべきと考えています」 シナリオペーパーで掲げてきた感度を撤回し、新たな目標を「1MPc以上」まで引き下げることを表明したのだ。 「実は、KAGRAは2020年3月に瞬間的に1MPcを達成して以来、ほぼ進展がない状態なのです。例えば、25MPcの感度で一発の重力波の観測に1年かかると仮定すると、1MPcでは1万5千年以上待たないと観測できません。事実上、重力波の観測が不可能な状態にあることを、梶田氏自らが認めた形です」（同前） 梶田氏に話を聞いた。 ――KAGRAテレコムで、「感度を諦める」と。 「国際共同で約束した以上、一緒に観測することが、一番のプライオリティ。『感度を上げることだけをやってちゃ駄目だ』と」 ――「1MPc以上」では、科学的成果が見込めない。 「やってみないと分かりません。欧米のプロジェクトは日本に対して15年くらい先行している。やっぱり15年の差は大きいです」
ノーベル賞学者の「KAGRA計画」 重力波の検出は事実上、不可能に
東大宇宙線研究所、文科省研究振興局の回答
東大宇宙線研究所は主に以下のように回答した。 「シナリオペーパーに書かれている、『O4観測で25～130MPc』という数値は、論文本文に書かれているように、執筆時点で到達されると見込まれた感度の見積もりであって、いわゆる数値目標の類とは性質を異にするものです。 議論を重ねた結果、8月のKAGRA全メンバーの会議において、O4開始時の予想感度は『1MPc以上』であることが合意されました。 われわれは『1MPc以上』をO4開始時に予測される最低感度としており、またO4終了時までには、さらなる感度向上を計画しています」 文科省研究振興局は主に以下のように回答した。 「シナリオペーパーは感度に関して、唯一記載がある論文。机上の空論を設定するのではなく、目指すべき目標値を記すものです。 （今年度の概算要求に関して）梶田氏らの6月の報告によれば、O4で3～5MPcを目指していると聞いています。ただ、1MPcが現時点の最高水準と聞いているのは事実です。 （ペーパーと異なるKAGRAの感度は）これから問題になるかもしれません。次の10年間は建設段階から運用段階に入ります。全て平たく審査をし直します」 これまで190億円の予算が投じられたKAGRA計画。来年には、大規模学術フロンティア促進事業の期限を迎え、新たに10年分（2023年度～2032年度）の予算を申請することになる。それだけに、重力波の検出が事実上不可能な状態になっているKAGRAに、文科省がどのように対応を取るか、注目される。計190億円が投じられ、更なる予算が注ぎ込まれようとしている国家的プロジェクト、KAGRA計画の破綻。それは、取りも直さず、日本の科学敗戦を意味している。 10月20日（水）16時配信の 「週刊文春 電子版」 および10月21日（木）発売の「週刊文春」では、約6時間に及ぶKAGRA内部の会議音声や内部資料をはじめ、“誇大論文”と指摘されるKAGRAのシナリオペーパー、装置が未完成の状態で開かれた完成記念式典、梶田氏との約60分間にわたる一問一答、元プロジェクト幹部の実名証言など、KAGRA計画の破綻ぶりを5ページにわたって詳報している。
重力波観測のための望遠鏡とその内容
重力波とは? « KAGRA 大型低温重力波望遠鏡 (u-tokyo.ac.jp)
アインシュタインの一般相対性理論によれば、質量をもった物体が存在すると、それだけで時空にゆがみができます。さらにその物体が（軸対称ではない）運動をすると、 この時空のゆがみが光速で伝わっていきます。これが重力波です。重力波はすべてを貫通し、減衰しないと考えられています。東京大学宇宙線研究所の重力波研究グループでは、「重力波」の直接検出を行い、それを将来の「重力波による天体観測」の創生につなげていきたいと考えています。
重力波を捕らえる意義
人類は、太古よりつい最近まで可視光でしか自然を観察できませんでした。しかし19世紀に入って電波やＸ線が発見されると、遠くに一瞬で情報を伝えたり、人体や物質の中の様子が観察できるようになりました。そのため今まで全く未知だった世界への扉が開かれ、人類の知識の増大・世界観の変化に大きく役立ちました。 その後も赤外線・紫外線やガンマ線など、次々と新しい「観測手段」が発見されるごとに、未知なる世界が人類に解き放たれています。これらはすべて「波動現象」を利用した情報伝達による自然観察と言うことができます。従って電磁波と同じ「波動現象」である「重力波」も、この歴史にならって新しい観測手段となり人類に未知なる世界を垣間見ることを可能にするであろうと期待されるのです。
ここで大事なことは、「重力波」は「波動現象」ですが、人類が今まで発見し道具としてきた「電磁波」の仲間とは大きく異なる特徴を持つという点です。その名が示すとおり、重力波は「重力」を発生する起源である「質量」が運動することで発生します。
その「質量」というものは、「時空」の構造という物理学の一大テーマを決定するために非常に重要な要素です。このことが「重力波」を使った自然の観察が、「電磁波」の仲間を使った観察と根本的に異なる世界（それがなんだかわからないところがもどかしいですが）を切り開くという期待をより一層高める要因ともなっています。
科学者たちが期待しているもの
アインシュタインの一般相対性理論の検証
宇宙誕生のより初期の情報の取得、および宇宙重力波背景放射の検出
非常に強い重力場での物理現象の観察
重力波の発生源
アインシュタイン博士が導き出した一般相対性理論から予測される物理現象です。重さを持つ物は、その重力で周りの時空を「歪（ゆが）めて」います。その物体が運動をすると、周りの歪んだ時空が波のように宇宙空間に広がってゆきます。これが重力波です。
そうなると我々は、「重力波」の発生源を宇宙の星に求めるしかありません。その代表的なものが、「中性子星同士の連星とその合体」や「超新星爆発」です。超新星爆発は、星が一生を終えて爆発し、その質量の大部分を宇宙空間に一瞬にして解き放つ非常に劇的な現象です。
中性子星とは、その一生を終え爆発した星のうち、飛ばされなかった太陽ほどの質量が半径10km程度にまで押しつぶされてしまった星のことです。
私達は、このような天体現象から発生する「重力波」を、直接検出するための装置を開発しています。
重力波が到来すると、二つの物体（厳密には自由落下している物体）の間の距離が変化して見えます。そのため、それを検出することが装置の基本となります。しかも重力波による物体間距離の変化は、直交する二つの方向のうち、片方が伸びた時はもう片方が縮むという変化を繰り返します。その伸縮量は、物体間距離が離れていればいるほど大きくなる性質があります。
しかし先に説明した天体現象が我々のいる銀河系とは違う他の遠い銀河で発生した場合、その重力波が地球に届いたときの信号の大きさは地球・太陽間程度の距離を、たかだか水素原子1個分動かす程度にすぎないほど小さいのです！運よくそのような天体現象が、我々の銀河で発生してくれれば信号が数十倍大きく出るので、現在の技術でもその重力波を捕らえることが出来ます！しかし、その発生確率は数十万年に一回という小ささです。当然そんなに待ってられませんので、観測対象を増加させるために、さらに遠くで発生した重力波 のより小さな時空の振動をとらえられるように工夫した高性能な重力波検出器を開発することが必要なのです。
検出方法
重力波は、全てのものを貫通してしまうため、なにかにぶつけてその反応をみるという方法はとれません。しかし光は重力波によってゆがんだ空間に沿って走る性質があり、それと先の説明のあった直交方向で伸縮するという性質を利用して、基本的には「マイケルソン干渉計」を用います。
長さを測るには、同じ光を直交する２方向に向けて発射し、遠くに置いた鏡で反射させ、また戻ってきた光の到達時間を両方で比較します。伸びた距離を走った光のほうが短い距離を走った方の光より帰ってくるのに時間が長くかかるため、伸縮の有無が分かります。ただし、地球上では地球が丸いことや、地下の検出器の場合は山の形状による制約もあり、光が走る腕の長さはせいぜい３〜４キロメート ル程度にしか取れません。そのため一回折り返しでは６〜８キロメートルしか走れません。それでは無駄が多いので、片腕に鏡を二枚用意して、その間を何度も反射して折り返します。KAGRAの場合、鏡の反射率を調整して、３キロメートル離れた鏡の間をレーザー光が平均で約５００往復するようにします。
ちょっと難しくなりますが、重力波検出器の検出能力（つまり「感度」）が具体的にどのように表現されるかと言うと横軸が重力波の周波数、縦軸が重力波で起こった腕の伸縮の大きさを腕の長さで割ったもの（ひずみ）で表します。現在の重力波検出器は、重力波の周波数 100Hzあたりの領域でひずみの大きさが10⁻²²～10⁻²³という非常に小さなものを検出可能なように設計されています。
感度を制限する（悪くする）ものは主に三つあります。低周波側が地球の地面振動。中周波数が、鏡の熱振動。そして高周波側が、レーザー光線の「光の量子性」というちょっと難しい性質の振動です。これらをいかにうまく低減するかが、高感度化の鍵となります。
重力波観測が成果が出ない理由
観測の成果の理由としては、装置としての感度ではなく、以前から吾輩と他の物理学者の主張する「一般相対性理論の間違い」であり、理論自体が成立しない空理論であるから、実験・観測で検証できるものではないからである。
今回の「190億円も費用をかけて研究成果がでない」との批判もあるが、研究成果が出ないのは、装置感度の問題ではなく、「元々、理論として成立しない論文」を検証しても、当然、「研究成果が出る訳ない理論」の検証であり、「研究成果がが出ない」ことが「最大の研究成果」である。「理論が間違いである」ことの立証である。
観測結果を出したと言われる他国の観測は別な物理現象の副作用の結果であろうと思われる。理論に無理に合わせるための現象を必死に探しているが、当初からの理論が間違えているなら永遠にその現象は見つからない。
My Opinion.
「失敗も成功のもと」と言われるが、まさにその通りである。
「一般相対性理論の検証」を目的として、「研究成果が出ない」のは装置の感度の問題ではない。
「研究成果が見出せない」ことが、「理論が間違えていた」ことの帰結すべ結論であると考える。
相対性理論を訂正する契機になれば、今回の観測が高く評価されることになるであろう。
吾輩は量子力学の素粒子としての光粒子は質量０であり、重力は質量に働くものであるから質量０の光粒子には重力は働かないと主張してきた。
そして、質量のある物質（含む素粒子）には慣性力は働くが質量０の光粒子には慣性力が働かないことも主張してきた。
観測装置でのレーザー光線（光粒子）は、質量０であり、重力を感知する（観測する）装置としては、不適切であり、研究成果が出ないことは、十分予想していた。
この光を使う観測の研究結果は、つまり成果がでないことは、重力は「光を曲げることもない」し、「空間を曲げることもない」ことが判明したのである。
そして、「時間の遅れ」理論の根拠の「光時計の思考実験」なるものも、根拠が崩れるのである。それを解説するために導入したローレンツ変換式も不要の長物である。
1905年の論文が発表された当初から、「質量０の光は重力で曲がらない」などの批判があった。
故に、「研究成果は元々でない理論」を検証しているのである。
研究者は自分の研究の間違いを自ら正すことは難しい。空理論を探して、それらしき事象をそれらしく研究成果として報告することであろう。捏造とは言わないが、色々な物理現象が考えられることを強引に理論に当てはめてきたことが否めない。そして、非を認めずに、116年間、屋上屋の理論がこれらの理論を構築してきた。そろそろ目を覚ます時期ですね。
To be continued . See you later !
参考文献・参考資料
KAGRAについて
重力波とは？
重力波研究の歴史
KAGRAの建設
KAGRAの現状
組織
重力波とは? « KAGRA 大型低温重力波望遠鏡 (u-tokyo.ac.jp)
Microsoft PowerPoint - データ解析スクール_20140419.pptx (u-tokyo.ac.jp)
ゲージボソン：相互作用を媒介する素粒子
https://japanknowledge.com/contents/common/soryushi.html
阪上孝・後藤武 編著 『はかる科学』中公新書 2007.10.25発行
p26～54
小暮 陽三 著『物理のしくみ』日本実業出版社 1994.10.15 8刷発行
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後藤学著『相対性理論のどこがおかしいか』ｐ324～326「相対論はやはり間違っていた」徳間書店 1995.5.10
巻末資料２ A・Einstein 『 E=Mc²に関する論文 』ｐ18～20
伊藤幸夫・寒川陽美著『単位の基本と仕組み 国際単位系（SI)』秀和システム 2004.8.10 第一版1刷 p62～、p104
国際単位研究会著『SI単位ポケットブック』日刊工業新聞社 2003.6.26 2版1刷
今井秀孝監修『計量の本』日刊工業新聞社 2007.11.30 1版1刷 p134
中井多喜雄著『早わかりSI単位辞典』技報堂出版 2003.9.1 1版1刷発行
山内薫著『分子構造の決定』岩波書店 2003.10.10 3刷発行 p6～15
吉田伸夫著『素粒子はなぜわかりにくいのか』技術評論社 2014.1.10 初版1刷 p129～158 摂動法
ジム・アル・カリーリ著 林田陽子訳『見て楽しむ量子物理学の世界』日経BP社 2008.9.29 1版1刷
山本耕造著『宇宙線と素粒子の本』日刊工業新聞社 2018.1.18 初版1刷 p132～133
梶田隆章著『ニュートリノで探る宇宙と素粒子』平凡社 2015.11.20 初版第1刷
竹内 淳著『高校数学で分るマックスウェル方程式』講談社2003.6.27第2刷発行
p200～209 学会、言論の自由、発想の自由、科学の役割
平野功著 『原子・光・磁気の解析 －その成り立ちと発展の軌跡ー』技報堂出版2004.3.30 1版1刷発行
窪田登司著 『アインシュタインの相対性理論は間違っていた』徳間書店 1993.10.31 p212
木幡赳夫他8名著 『最新 アインシュタイン論』学研 1989.12．1
安東正樹著 『重力波とは何か』 講談社 2016.9.14 1刷発行
高橋真理子著 『重力波 発見！』 新潮社 2017.9.20 p168
大槻義彦・大場一郎著『物理学事典』 講談社 p326
円山重直著 『光エネルギ工学』養賢堂 2004.4.30 1版発行 p172、ｐ178
竹内淳著 『光とレンズ』講談社 2016.5.20 第1刷発行 p156～157
山本義隆著 『幾何光学の正準理論』数学書房 2014.0.1 1版1刷 p27、p30、p35
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%AD%90
・ニュートン別冊
『時間とは何か』 ㈱ニュートンプレス 2016．7.．25 発行増補第三版
・松浦壮著 『時間とは何だろう』 ㈱講談社 2017.12.5第三刷発行
ｐ94～96文章抜粋
絶対時間から相対時間へ
「さて新しい原理を持ち込んで理論を構築するのはもちろん自由ですが、それが正しいかは別問題です。アインシュタインが導入した原理は本当に正しいでしょうか？こういう場面で登場するのが実験の精神です。新しい原理が導入されたことで予言される現象が現実に起きるかどうかが判定材料になります。
・・・時間とは時計で測定するものとして「光時計」を考える。・・・思考実験
・原康夫著 『量子力学』 岩波書店 1994.6.6 第一刷発行 p3（光の二重性）、
ｐ４文章抜粋「このように光は波動性と粒子性の両方の性質を示す。とりあえず光の二重性を『光は空間を波として伝わり、物質によって放出・吸収されたとき粒子として振舞う。』
ｐ5文章抜粋『１９０５年にアインシュタインは振動数νの光（一般に電磁波）はエネルギーＥ＝ｈνを持つ粒子（光子）の流れだと光電効果を説明した。』
・チャールズ・H・ホランド著 手嶋英志訳 『時間とは何か』 青土社 2002.12．20 第1刷発行 p188
・平野功著 『原子・光・磁気の解析』 技報堂出版 2004..3.30 第1版1刷
・円山重直著 『光エネルギー工学』 養賢堂 2004.4.30
p6文章引用「光とは狭義には可視光を意味するが、一般的には電磁波又は光子「フォトン」と同義である。物質中の電荷が変動することによって電磁波が発生し空間を伝播する。
p62、電磁波の伝播、マックスウェルの方程式
・後藤憲一、小野廣明、小島彬、土井勝 著 『基礎物理学 第二版』 共立出版 2004.4.15 第二版1刷
p159 Ⅰ 特殊相対性原理
「すべての慣性系は同資格でどのような物理法則もすべての慣性系と同じ形である。」
Ⅱ速度不変の原理
「真空中を光が伝わる速さは光源の動く速さや方向に無関係に、どのような慣性系から見ても同じ値（ｃ）である。」
・山田克哉著 『光と電気のからくり』 講談社 2003.6.27 ｐ１３９、ｐ１４８
・福田京平著 『光学機器が一番わかる』 技術評論社 2010.5.5 初版1刷発行
・石川健三著 『場の量子力学』 培風館 2006.7.20 初版発行
・佐藤勝彦著 『量子論』 ナツメ社 1999.2.10 発行
・山崎昇 監訳 『見える数学の世界』 大竹出版 2000.12.11 第一版発行
p295 ピタゴラスの定理
・岡部恒治、有田八州穂、今野和浩著 『文科系学生のための数学教室』 有斐閣アルマ p34 三平方の定理（ピタゴラスの定理）
・吉田伸夫著 『素粒子論はなぜわかりにくいのか。場の考えを理解する』 技術評論社 2014.1.10 初版第1刷発行
要約（ p10～31から引用）
１、素粒子（含む光子）は粒子ではなく「場」の概念を適用する。。
２、「場」の概念を適用とは
「場」とはいたるところに存在し、あらゆる物理現象の担い手となるものである。
空間と一体化し、空間に対して移動できないことが「場」の特徴である。
時間とともに変化する物理現象では原子のような実体が空っぽの空間の中を動き回るのではなく、「場」の値が変化することで動きをもたらしている。
・山崎正之、若木守明、陳軍 共著 『波動光学入門』 実数出版 2004.4.20 第1刷発行
・『キップソン博士が語る時空旅行
相対性理論とタイムトラベル』 ニュートンプレス 2012.6.15 発行
・『アインシュタイン 物理学を変えた発想』 ニュートンプレス 2009.3.10 発行
p30、止まっている光時計
p45、運動している光時計
・『時間の謎』 ニュートンプレス 2018． 8月号
・平井正則監修 三品隆司編者
『アインシュタインの世界 天才物理学者に関する６０の疑問』 ＰＨＰ研究所 1996.10.22 第一版7刷発行
ｐ61～62 特殊相対性理論
ｐ62～63 絶対時間と相対時間 「時間」と「空間」
・桑原守二・三木茂監修『図解雑学 電気・電子のしくみ』 ナツメ社 1997.7.20
ｐ162さまざまな電磁波 ｐ165マックスウェルの方程式
・小暮陽三著 『物理のしくみ』 日本実業出版社 1994.10.15 第８刷発行
ｐ38光の粒子説と波動説、ｐ42光と電磁波、ｐ125エーテルと光速度の測定
ｐ126同時刻とは ｐ128時間の遅れ
・小沼通二著 『現代物理学』 放送大学 1997.3.20 改訂版第1刷 ｐ28相対性理論
・阿部龍蔵・川村清著『量子力学』 放送大学 1997.3.20 改訂版第1刷 ｐ18波と粒子の2重性
・藤井保憲著 『相対論』放送大学 1995.3.20 第１刷 ｐ27 時間のおくれ
・阿部龍蔵著 『光と電磁場』 放送大学 1992.3.20 第1刷 ｐ36 光の放出と吸収
・田村 司著 『運動する媒質中の光速度についての考察』放送大学卒業研究論文
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