ジェイラボワークショップ第70回『宇宙は何でできているのか』【物理学部】[20240115-0128]
物理学部WS第70回のログです。
村山斉の『宇宙は何でできているのか』を題材にしました。宇宙は何でできているのでしょうか。続編を次回以降のWSでする予定です。
「■」がついたものだけで読み物としては完結しているので忙しい方は「■」だけ読んでもらっても構いませんが，「■」以外も含めて全部読んだ方がより実際の空気感を味わえると思います．参加者のコメントについては，発言者の頭に「★」をつけ，その返信には発言者の頭に「・」をつけています．
DAY1
■Naokimen
皆さんこんにちは。WSがない期間がしばらく続きましたが、本日からWSが再開します。今年度の物理学部のWSは物理学者の紹介、科学と倫理を扱ってきて、あまり物理学の内容自体に触れることはありませんでしたが、今回は、「宇宙は何でできているのか」というタイトルで、物理学の内容自体を扱うWSにしようと思います。部内では、昨年度秋から、村山斉『宇宙は何でできているのか-素粒子物理学で解く宇宙の謎』という一般書を輪読しており、今回のWSはその内容をベースとしています。専門書ではなく一般書なので、数式はほぼ出てきませんし、前提知識も入らないので、気軽にお話として読んでいただけるとありがたいです。質問もたまに投下されるので、それに対する回答やその他分からないことや聞きたいことなどがあればいつでも質問・コメントをお待ちしていますので、ぜひ積極的にお願いします。
座談会は、1/19(金)の22:30-23:30に行う予定です。平日になってしまい申し訳ないですが、参加できる方はぜひ参加していただけると嬉しいです。
「宇宙は何でできているのか」という疑問は小さい頃に1度は思ったことではないでしょうか？その頃の気持ちを思い出し、このWSでその謎に一緒に迫りましょう。それでは2週間よろしくお願いします。
■Yujin
こんにちはYujinです。
さっそく序章の要約、および質問を投下します。
⚫︎宇宙という書物は数学の言葉で書かれている
・著者が機構長を務める東京大学数物連携宇宙研究機構(IPMU)では、数学と物理学が連携をして宇宙について研究をしている。
・IPMUで取り組んでいるテーマは決して近寄り難いものではなく、
「宇宙はどうやって始まったのだろう？」
「遠くに見える星は、何でできているのだろう？」
「どうして、自分たちはこの宇宙にいるのだろう？」
「宇宙は、これからどうなっていくのだろう？」
といった、誰もが一度は知りたいと思ったことがある素朴な疑問に答えるために研究している。
・この十数年間でテクノロジーが飛躍的に進歩し、「科学の力」によってその謎を解き明かすのにあと一歩というところまで来ている。
・テクノロジーが進歩した結果、これまでに考えていた宇宙論に変化が起こり、その衝撃は天動説から地動説への転換に匹敵するほどだ。
・地動説を初めて唱えたガリレオ・ガリレイは、「宇宙という書物は数学の言葉で書かれている」という言葉を残した。
・ガリレオの言う通り、数学の力を借りずに宇宙の謎を解明することはできないので、著者は、数学と物理学が連携して研究する場を作ったのだ。
DAY2
■Yujin
⚫︎10の27乗、10のマイナス35乗の世界
・どうして宇宙の謎を解明するのに、素粒子の話をするのだろうか？まず、身の回りの物と比較しながら、宇宙の大きさを考えてみる。
・例えばリンゴは0.1m、人間は1〜2m程度である。マンションはもう1桁上がって、だいたい数十m程度。東京タワーは、さらに桁が上がって333m、スカイツリーは634mである。物理学でよく使う表現に直すと、「3×10²m」「6×10²m」である。富士山(3776m)は「10³」という桁数になる。
・地球は「10⁷」、地球が太陽のまわりを公転する軌道の大きさは「10¹¹」、天の川銀河の大きさは「10²⁰」、銀河団の大きさは「10²³」である。
・我々がいま観測できる宇宙のサイズは1つの銀河団の1万倍、「10²⁷」である。これが天文学的な数字のスケールである。
・一方で素粒子の方はどのような大きさなのか。素粒子とは物質の「素」となる粒子のことで、リンゴなどの物質を細かく分けていき、それがもともと何でできているのかを考えるのが素粒子物理学であると考えてよい。
・あらゆる物質は「原子」の集まりである。しかし物質を原子レベルまでバラバラにするのは容易ではなく、例えば直径10cmのリンゴをバラバラにすると、ざっと「10²⁶」個の原子になり、ナイフで刻んだ程度ではこのレベルまで細かくできない。
・原子1個の直径は「10⁻¹⁰」mであり、かつてこれが最も小さい物(＝素粒子)と考えられていた。しかし原子はさらにバラバラにできることが判明し、原子の中心には原子核があり、その周りを電子が飛んでいることがわかった。原子の直径とは、電子が回る軌道の直径だったのだ。原子核の直径は電子の直径よりはるかに小さく、「10⁻¹⁵」mである。
・しかし原子核にも陽子や中性子といった内部構造があり、それらも更にいくつかの粒子によって形作られているとわかった。その粒子はクォークと呼ばれるものであり、今のところクォークが真の素粒子だと考えられている。その大きさはどんなに大きく見積もっても「10⁻¹⁹」mである。
・また、重力、電磁気力、強い力と弱い力(後述)を統一すると期待されているひも理論では、素粒子の大きさは「10⁻³⁵」mだと考えられている。
⚫︎世界は「ウロボロスの蛇」
・宇宙研究(10²⁷)と素粒子研究(10⁻³⁵)の間には、62桁もの距離がある。一見関係なさそうに見えるこの2つが、実は密接に繋がっていることが最近の研究でわかってきている。その背景にあるのがビッグバン宇宙論である。
・ビッグバン宇宙論によると、宇宙は誕生直後から徐々に膨張していき、今のサイズになっている。これが正しいとすると、宇宙の歴史を遡っていけば、そのサイズは逆にどんどん小さくなり、それ以上は小さくできないほど小さいものだったと考えられる。これはまさに「素粒子の世界」ではないだろうか。
・従って、宇宙の起源を知るためには、素粒子のことも理解しなければいけない。逆に宇宙を調べることによって素粒子についてわかることもある。自然界の両極端にあるように見えながら、この２つは切っても切れない関係にある。
・これはまるでウロボロスの蛇のようである。宇宙という頭が、素粒子という尾を飲み込んでいる。広大な宇宙の果てを見ようと追いかけるとそこには素粒子があり、一番小さなものを見つけようと追いかけるとそこには宇宙がある。宇宙研究者が素粒子を語ることに、何の不思議もないのだ。
質問: あなたは宇宙に思いを馳せたことはありますか？思い出話でも聞かせてください。
★ゆーろっぷ
Q. 宇宙に思いを馳せたことはあるか？
A. 小さい頃は家にあった宇宙をテーマにした図鑑をよく見ていました。そこから宇宙についていろいろ考える（妄想ですけど）ことはあったと思います。ただ、素粒子や惑星運動のような「物理的」なものに関心を持つというより、赤色巨星や星雲の大きさ比べみたいな、今でいう「宇宙の大きさを実感する」系の動画でよくあるミーハーなものばかりに興味を持っていた気がしますが笑。
付け加えるなら、実家がど田舎というか山の中にあり星がすごく綺麗に見えるので、それも宇宙に思いを馳せる動機の一つになっていた（いる）と思います。都会ではせいぜい月くらいしか見えないので寂しいですね…
・Yujin
わかります、僕も実家が田舎なので、夜空をボーッと眺めてキラキラ光る星を見てキレイだなーと思感じてました。
今は都会(大阪の天王寺あたり)に住んでいますが、ギリギリオリオン座が肉眼で見えます。たまに夜空を見上げてジッと探しているのですが、都会だとちょっと不審者ですね。
★けろたん
宇宙に思いを馳せた経験：
小学生ぐらいの頃、夜は星がウワーッと見えるような田舎に住んでいましたが、虫がいっぱいいるみたいでウヒョ~~~！！と思っているだけで、天文少年になったりはしませんでした。なぞなぞクイズ的に、星がピカピカ瞬いて見えるのはなぜか？という問いを、大気のせい、目のせい、宇宙人の秘密基地がある、といったように見る側の問題として組み替えて面白がっていたような記憶があります。百科事典に乗っていた「木星はプールに浮く」という記述をトリビア的に覚えていたり、「天文・宇宙」にはそういう接し方でした。
当時、NHKかなにかでやっていた科学番組で、太陽系&地球はいずれおしまいです、的な話を見て、しばらく虚無主義に陥っていたりしました。現在でもメンタル的に不安定になると、隕石落ちてこないかなーと考えたりするのはその名残かもしれません。
総じて、宇宙を、得体はしれないが超絶長期的には確定している運命として、宇宙に比べて人間/自分は塵芥のようなものだ、という認知の相対化の道具として概念的に触れているので、宇宙自体にはそこまで興味はないのかもしれません。
最近はNHKの「グレートネイチャー」という自然番組を見ています。こちらは宇宙ではなく地球・地学的なスケールの話なためか楽しめています。
・Yujin
宇宙の神秘性というか偉大さというか、そういったものに圧倒されて畏れる気持ち、分かる気がします。自分が何をしたってこの広い宇宙から見ればちっぽけなことだから、とかいう理由でどんな悪事も働ける気がします(がしない)。
DAY3
■Naokimen
では、今日から第1章の内容に入っていきます。
第1章 宇宙は何でできているのか
・リンゴと惑星は同じ法則で動いている
現代に生きる皆さんは「宇宙」という言葉を聴いてどんなイメージを抱くだろうか？望遠鏡のなかった時代では、人々は夜空を肉眼で見上げるしかなく、神様や動物の形をした星座を描いていたことからも分かる通り、宇宙はあくまで「想像上の世界」であった。だが、高度に発達した望遠鏡のおかげで、宇宙の風景をリアルに見ることができるようになり、我々が思い描く宇宙の姿は大きく変化した。月や木星、もっと遠くにある星や銀河の様子も今では手に取るようにわかるようになり、この地球も何万光年離れた星も同じ宇宙という世界の中にあると、多くの現代人はイメージできるようになった。
ところで、素粒子と宇宙の研究には、大きく分けて2つのテーマがある。1つは、「物質は何でできているのか」、もう1つは、その物質を支配する「基本法則はいかなるものか」である。
もし宇宙が地上とは「別の世界」なのであれば、異なる物質でできている宇宙と地上は別々の基本法則に支配されていると考えるのが自然なので、この2つのテーマについても別々に考えなければいけない。しかし、我々は宇宙と地上は同じものでできており、同一の世界だと知っている。それゆえ、支配する物理法則も同じなのである。
この事実を最初に明らかにしたのが、アイザック・ニュートンだった。人類はここで初めて、地上で木から落ちるリンゴと、天上にある惑星が全く同じ法則で動いていることを知った。
・リンゴの皮の部分に浮かぶ国際宇宙ステーション
ここでは、第1のテーマである「物質（つまり宇宙）は何でできているのか」について少し話を進めよう。
宇宙の実態を知ろうと思ったら、まずはそれを「見る」ことが大事である。研究する上では、遠くから「見る」よりも、現場に「行く」ほうが望ましいが、相手が宇宙となると、なかなかそうもいかない。「宇宙に行ったことのある地球人」は大勢いるが、宇宙のスケールから見れば、その移動距離はたかが知れている。
例えば、野口聡一さんが滞在した国際宇宙ステーションが浮かんでいるのは、地上から375 kmの高さである。地球の直径は約12000 kmなので、ほんのちょっとだけ宇宙空間に出たに過ぎない。地球がリンゴだとすれば、その皮から頭を出した程度のことである。
アポロ11号の月面着陸も、その「歩幅」は小さなものだった。地球から月までは約38万 kmの距離があり、アポロは片道で地球をほぼ10周したのと同じことになるが、これは光速でたった1.3 秒の距離(1.3 光秒)にすぎない。宇宙空間での距離は「光年」(光速で何年かかるか)という単位で語られるので、「光秒」で行ける月は、ほんの玄関先である。
新たに質問を投下します:
「この宇宙は何でできているの？」と小学生に聞かれた時、どのように答えますか？
Yujinさんからの質問に対する回答もいつでもお待ちしているので、時間の空いている時にぜひ回答お願いします。
★Hiroto
みんなが通るような「宇宙浪漫」「昆虫浪漫」「恐竜浪漫」みたいなのは全く通っていなくて、世界への好奇心が乏しい少年でした。ので、思いを馳せたことはありません。
「この宇宙は何でできているの？」と聞かれたら、「僕にとっての「この宇宙」は君にとっての「この宇宙」じゃないかもしれないから君が考えるしかないね」と返します。
・Naokimen
「素粒子は誰でも興味がある」ととある助教が言っていましたが、そんなはずはなく、宇宙についても誰でも興味があると言われがちですが、必ずしもそうではないですよね。
後半について、想定外の回答ですが笑、人によって異なるというのはある意味正しく、的を得た回答だと思います。
★けろたん
この宇宙は何でできているの？への回答：
ほとんどトンチですが「宇宙より小さいなにか」というのを思いつきました。ですが、この回答の前提になっている「対象がなにかしらのサブ対象に分解できる」という直感そのものが日常世界のものであり、宇宙に通用するかどうかわかりません。
・Naokimen
対象が分解できるというのは素粒子物理学に限らず物理学の大前提になっているものだと思いますが、言われてみれば日常生活からかけ離れたものに対しては当たり前ではないかもしれませんね。
DAY4
■Naokimen
・「4光時」の冥王星まで20年かかったボイジャー
人類はまだ「玄関先」の月までしか到達していない。しかし、技術の進歩により、人間がいかなくても天体の調査は可能になった。遠くの星に無人の探索機を飛ばして、映像を撮ったり、土砂のサンプルを採ったりできるようになったのである。
日本が打ち上げた人工衛星の中で最も遠くまで行ったのは、小惑星探査機の「はやぶさ」である。地球と火星の軌道を横切るように公転している「イトカワ」という小惑星に2005年の夏に到達し、2010年の6月地球に帰還した。地球からこの小惑星までの距離は、最大20光分。「はやぶさ」のコンピュータに地球から指令を送ると返事が届くまでに40分かかる距離である。
アメリカが1977年に打ち上げた2機の「ボイジャー」は、もっと遠くまで行った。光速で4時間かかる冥王星のあたりまで、およそ20年かけてたどり着いたのである。
ボイジャーには、地球の情報を詰め込んだレコードが積み込まれているが、未だに旅を続けているボイジャーが、太陽系を離れて他の恒星系へたどり着き、その惑星で暮らす知的生命体に発見されれば、何らかのアクションがあるかもしれない。ただし、その可能性がある星の中で最も近いのは、地球から4.2光年も離れたプロキシマ・ケンタウリという恒星で、その惑星で知的生命体に発見されたとしても、返事が届くまでに4年かかる。それ以前に、4光時の冥王星まで20年かかったことを考えると、ボイジャーがいつそこに到着するかわからない。
・太陽光を分析すると太陽の組成がわかる
以上のように、人間であれ探査機であれ、宇宙に「行く」のは大変なことである。しかし、「見る」だけならもっと簡単にできる。こちらから行かなくても、向こうから地球まで届く「光」さえあれば、望遠鏡の性能をどんどん高めることで、どんなに遠くの星でも観察できるのである。
もちろん、「見る」だけでは、宇宙空間に存在する物質に触れることはできない。実物が手に入らないのでは、それが「何でできているか」を知ることはできないと思う人も多いだろう。
しかし、実は、現物のサンプルが手に入らなくても、見ることさえできれば、その物質が何でできているかを知ることができる。実際、人類が行ったことのない太陽や遠くの星も全て原子でできているということを我々は知っている。
では、なぜ「見る」だけでそれが原子だとわかるのだろうか？
それを教えてくれるのが、地球に届く「光」である。太陽の光を精密な機械で分光すると、ところどころに黒い線が入っていることが分かるが、その黒い線を見ることで太陽が何でできているかがわかる。黒いとは、その色の部分だけ「光がない」ということであり、正確に言うと、あるものに光が「吸収」されてしまうために地球まで届かないということである。その光を吸収しているのが「原子」である。原子の種類によって吸収する波長が異なるので、ある色の波長が黒くなっていれば、その原子が「ある」とわかる。そして、太陽から来た光のどの波長が吸収されているかを分析すると、太陽には地球上と同じ種類の原子が存在することが分かったのである。
光さえあればいいので、遠くの星についても同じように「何でできているか」を調べることができる。また、黒い線の濃さを分析すれば、その星にある原子の量も分かる。ある原子が多いほど、その原子に対応する波長の光をたくさん吸収するため、その部分の線が濃くなるのである。
参考：http://www.oao.nao.ac.jp/stockroom/extra_content/sun/sun.htm
DAY5（座談会）
■Naokimen
本日は22:30から座談会を行います。時間のある方はぜひご参加ください。
DAY6
■Yuta
本日からYutaが担当します。よろしくどーぞ。
第1章 宇宙は何でできているのか
●「発見できないが存在する」と予言されたニュートリノ
宇宙から届くのは光だけではない。地球上には無数の粒子が降り注いでいて、それが宇宙の成り立ちを教えてくれることもある。そう、これがニュートリノである。
この粒子の存在が理論的に「予言」されたのは、いまから80年ほど前のことだった。そのような予言は素粒子物理学の世界では珍しくない。従来の理論で説明のつかない現象があると「こういうものがあれば理論的につじつまが合う」というアイデアが提案され、その仮説に見合うものをみんなが探し始める。湯川秀樹の「中間子理論」もそうである。まず湯川の予言があって、のちにその理論に基づいて新しい粒子が発見されたのである。
のちに「ニュートリノ」と名付けられた粒子が存在するはずだと考えられたのは、そうでなければある現象が「エネルギー保存の法則」と矛盾するからだった。
すべての物理現象は、その前後でエネルギーの総量が同じでなければならない。ある現象が起きたときに、全体のエネルギーが増えたり減ったりしてはならない。
ところが、中性子の「ベータ崩壊」という現象では、その保存則が破れていた。ベータ崩壊とは、原子核の中にある中性子が電子を放出して陽子に変わる現象のことである。中性子は電荷が±0で、陽子は+1。なので、中性子から電子（電荷-1）が1つ飛び出すと、電荷が+1となって、陽子になるわけである。
電荷のつじつまはあっているが、とはいえエネルギーがベータ崩壊の前後で異なる。崩壊前に中性子が持っていたエネルギーより、崩壊後のエネルギー（陽子+飛び出した電子）の方が小さいのだ。何かがエネルギーを奪っているということになる。
そこでスイスの物理学者パウリは、ベータ崩壊の際に電子だけでなく、電荷をもたない謎の粒子が一緒に飛び出しているはずだと考えた。ただしその仮説によれば、その粒子は質量がゼロ（もしくは観測できないほど小さい）。そしてほかの物質と出合っても反応せずに素通りしてしまうという。パウリはこのような粒子は「あるけど発見はできないだろう」と予想した。
パウリの仮説は半分あっていて半分間違っていた。1950年代に、実験室で彼の予言した粒子=ニュートリノの存在が確認されたのである。
●ニュートリノは毎秒何十兆個も私たちの身体を通り抜ける
宇宙から飛んできたニュートリノを世界で初めて捕まえたのは、日本の「カミオカンデ」という観測装置だった。岐阜県神岡鉱山の地下1000メートルの深さに作られたカミオカンデは、3000トンもの水を蓄えたタンクと、1000本の光電子増倍管からなる巨大な装置だ。
ニュートリノは宇宙から大量に降り注いでいる。私たちの身体は1秒間に何十兆個ものニュートリノを浴びているが、他の物質とはほとんど衝突せずにスルスルと通り抜けてしまうので、見つけるのは至難の業である。
しかしカミオカンデは1987年2月、11個ものニュートリノを検出した。これは16万光年大マゼラン星雲で起きた超新星爆発によって生じたものだった。この超新星爆発は、銀河全体よりも明るくなるほどの光を放ったが、その光のエネルギーは、爆発によって生じた全エネルギーの1%にすぎず、残りはすべてニュートリノが占めていた（途方もない）。そして、超新星爆発で大量のニュートリノが生じたことは、その星が地球や太陽と同じ「原子」でできていることを物語っている。この功績で小柴昌俊はノーベル賞を受賞した。
この大発見のおかげで、次の「スーパーカミオカンデ」の予算がついた。カミオカンデの貯水量は3000トンだったが、スーパーカミオカンデは5万トン。壁面の光電子倍増感も1万1200本に増えた。それだけではなく、大量に降り注ぐニュートリノが突然降り注がなくなるのも観測できるかもしれない。爆発を起こした超新星がつぶれてブラックホールになると、発生したニュートリノはそこから出られなくなる。つまり、ニュートリノが来なくなる瞬間を捉えればブラックホールができたことが分かるのである。
スーパーカミオカンデは別のテーマで大きな成果を挙げた。それはお化けのようなニュートリノに実は少しだけ質量があることを観測によって明らかにしたのである。
この意味は後で解説するが、ここからは実に驚くべき事実が判明した。宇宙に存在するニュートリノをすべて集めると、宇宙にあるすべての星とほぼ同じ質量になるというのである。この発見は1998年の事。この十数年の間に我々の「宇宙像」が大きく変わりつつある。
質問は明日投下します！お楽しみに。
DAY7
■Yuta
Yutaです。続きと質問です。
●すべての星を集めても宇宙全体の重さの0.5%
研究者を驚かせたのは、スーパーカミオカンデの観測結果だけではない。今はそれ以外にも、「宇宙は何でできているのか」について、次々と新事実が判明している。
スーパーカミオカンデは、すべての星とニュートリノが同じくらい存在することを突き止めたが、ではその「すべての星」が宇宙の中でどれくらいの割合を占めているか、見当がつくだろうか。
宇宙にある物質といえば、普通は恒星や惑星などの星しか思いつかない。ニュートリノがそれと同じだけあるとすれば、「宇宙の50%は星、残りの50%はニュートリノ」ということになりそうだ。
ところが最近の観測結果によると、私たちの目に見える星たちはすべて足し合わせても、宇宙の全エネルギーの0.5%にしかならないという。ニュートリノを加えても、たった1%にしかならない。
「星の重さ」の話をしていたのに、「宇宙にある物質の全質量」ではなく「全エネルギー」に言い換えたのは、アインシュタインの相対性理論を踏まえたからである。アインシュタインは、あの有名な「E=mc^2」によって物質の質量mはエネルギーEに換算できることを示した。だから星の質量もエネルギーに換算して比較できるのだ。（cは光速）
星はすべて原子でできているが、宇宙空間にはそれ以外にも原子がたくさんある。例えば銀河の中に漂っているガスは光らないので目に見えないが、これも原子でできている。
これを聞くと、星とニュートリノ以外の99%は目に見えない原子であると思うかもしれないが、実はそれは早合点である。星やガスなど宇宙にあるすべての原子をかき集めても、全エネルギーの4.4%程度にしかならない。（これは2003年ごろに分かった）
●宇宙全体の23%を占める暗黒物質
では、原子ではない96％は、いったい何なのだろうか。何かは分かっていないが、名前がついており、その一つが「暗黒物質（ダークマター）」と呼ばれるものだ。
未だ正体は不明であるこの暗黒物質が「ある」ことは分かっている。その存在を前提にしないとつじつまの合わないことが色々ある。
前に（Yujinさん担当節）、秒速30キロメートルで回っている地球がどこかに飛んでいかないのは、太陽の重力で「落ちて」いるからだという話をした。だから、いくつもの惑星を持つ太陽系がバラバラにならずに成り立っているわけである。
それだけでなく、太陽系自体も秒速220キロメートルで動いている。これもまた、地球が太陽に重力で「落ちる」のと同様に、太陽系も天の川銀河全体の重力に引っ張られている。
それだけのスピードで動く太陽系を捕まえている重力は相当なものであるが、不思議なことに天の川銀河全体を動く星やブラックホールなどをすべて集めても、太陽系を引き留めておけるほどの重力にはならないことがわかった。そこに星以外の「何か」がないと、太陽系は銀河系を離れていってしまうはずである。
この銀河を引き留めているのがまさに暗黒物質ということになる。もちろん暗黒物質は我々の天の川銀河だけでなく、45億年後に我々と衝突する予定のアンドロメダ銀河もほとんどが暗黒物質である。
暗黒物質は宇宙全体に偏在しており、それが宇宙の全エネルギーに占める割合は約23%、原子のおよそ5倍である。光輝く星たちが主役だと思っていた銀河系も、実際は暗黒物質の溜まり場のようなもので、そこに星が少し混ざっているだけなのである。
以上です。質問もあるので良ければ何か書いていってください。
質問: 暗黒物質が宇宙の大半を占めるせいで、すべての星を集めても宇宙全体の重さの0.5%しかないのは直感に反すると思います。宇宙について知っている面白いと思う知識が何かあれば披露してください。
DAY8
■チクシュルーブ隕石
こんばんは、隕石です。
本日から担当させて頂きます！
第1章 宇宙は何でできているのか
⚫︎宇宙の大部分を占めるお化けエネルギーとは
原子と暗黒物質を合わせたとしても、宇宙のたった27%しか占めていない。では、宇宙の大部分は何によって占められているのだろうか。それには「暗黒エネルギー(ダークエネルギー」という名前がついているが、その性質は暗黒物質以上によく分からない。
暗黒物質は原子とは全く違うものの、幾分「物質」らしい振る舞いをする。暗黒物質は宇宙の膨張とともにその密度が薄まるという性質を持っており、この点においては暗黒物質も原子も変わらない。
しかし、暗黒エネルギーはそうではない。宇宙がいくら膨張したとしても密度が薄まらないのだ。これはこれまでの私たちの常識を大きく外れる挙動であり、いささか気持ち悪く感じるだろう。しかしながら、暗黒エネルギーの存在を仮定しなければ、より気持ちの悪い現象、言い換えると宇宙の膨張スピードが加速しているという事実を説明することができなくなる。
かつて宇宙は不変の大きさを持つ空間と認識されていた。この認識が大きく変わることとなったのは、光のドップラー効果によるものだ。これにより遠ざかる星は赤く、止まっている星は黄色く、近づいている星は青白く観察される。この観察により星や銀河が地球から遠ざかっていることが判明し、宇宙の膨張が証明されたのである。
⚫︎ビッグバンの証拠になった太古の残り火
膨張する空間の内部ではとある現象が起こる。それは「温度が下がる」ことである。膨張することで内部のエネルギーが「薄まる」為に温度が下がるのだ。
宇宙とそれと同様に、膨張するに従って温度が下がっていく。現在の宇宙の温度は摂氏マイナス270℃であるが、宇宙の始まりではそうではない。宇宙の歴史を遡ると、宇宙はどんどんと縮小する。その縮小が極限まで小さくなった瞬間を我々は「ビッグバン」と呼ぶ。その温度は極めて高かったものと考えられる。
しかしながら、これだけでは「ビッグバン」の実在を示すには不十分である。その証拠と示されたのは「マイクロ波宇宙背景放射の異方性」だ。少し説明を加えるとマイクロ波という電波が宇宙のあらゆる場所から飛んでくるのが宇宙背景放射と呼ばれる。
これがなぜビッグバンの証拠になるかと言えば、これがその際に出た光だったからである。そのことから光の波長は宇宙の膨張によって引き伸ばされ、現在はマイクロ波として観測されるべきであると主張されたのだ。その予測にピタリと当てはまる「ビッグバンの残り火」が発見されたのは1965年のことである。
しかし、マイクロ波宇宙背景放射の存在だけではビッグバンの証拠として万全ではなかった。宇宙背景放射は全天からほぼ均等に降り注いでいるが、ビッグバン理論からはほんのわずかなムラがあると予想されていた。異方性がちょうどそのムラのことであり、観測によって予想されていたムラの存在が裏付けられたのである。
DAY9
■チクシュルーブ隕石
続きになります。質問も用意してあるので、お答え頂けると大変嬉しいです。
⚫︎宇宙は加速しながら膨張し続けている
「マイクロ波宇宙背景放射の異方性」の発見によって、宇宙がビッグバンから始まり、137億年かけて現在の大きさまで膨張してきたということが完全に裏付けられた。
ここで次に問題となるのは宇宙の膨張がいつまで続くのかということだ。それについては永遠に膨張し続けるか、極限まで膨張してから収縮に転じるかという2つの可能性が考えられていた。その際どちらの考察も、膨張の速度が徐々に落ち着いていくことを前提に考えられていた。
しかし、宇宙の膨張は加速しているという事実が研究によって明らかになり始めた。
膨張が加速しているということは、その膨張を背後で支えているものがいるはずである。そのような存在が暗黒エネルギーなるものであると考えられている。
⚫︎こんなにわからないことがあるとわかった21世紀
20世紀の終わり頃まで宇宙は全て「原子」で説明できると考えられていた。原子には原子核と電子があり、原子核は陽子と中性子で成り立っており、陽子と中性子はクォークという素粒子でできているという事実を原子の発見から約100年をかけて解き明かしてきた。
しかし、分からないものは宇宙にまだまだ存在する。中には「存在しないこと」が不思議な反物質なるものも存在する。
全ての粒子には性質は同じで電荷だけが反対の「反粒子」が存在している為、全ての物質には「反物質」が存在する。ビッグバンの瞬間には物質と反物質は同量だけ生まれたはずなのだが、現在の宇宙には自然状態で存在する反物質は観測されていない。
また、物質の「質量」がそれによって生み出されていると考えられる粒子も存在している。この粒子は「ヒグス粒子」と名付けられている。
このように、20世紀の終わりから21世紀の初めにかけて宇宙にはまだまだ分からない事が存在しているということが分かってきたのである。
質問 宇宙の膨張を確かめる方法として、光のドップラー効果以外に知っているものはありますか？また、宇宙の膨張にまつわる話があれば教えて下さい。
★Hiroto
宇宙の膨張にまつわる話・・・「成長する最強が真の最強である」みたいな文脈でよく喩えとして使います。範馬勇次郎を具体例として出すこともセットで。
・チクシュルーブ隕石
なんとなく宇宙に最強という感覚を抱くのは僕も同じです笑。
範馬勇次郎の例え便利ですね
これから僕も使っていこうと思います笑
DAY10
■Yujin
WS10日目です！Yujinが担当します！
第2章 究極の素粒子を探せ！
◯皆既日食で証明されたアインシュタイン理論
・「宇宙を見る道具」としての望遠鏡が発達したことで、人類は宇宙の成り立ちについて多くのことを知ることができた。
・例えば日本の国立天文台が所有する「すばる望遠鏡」は1999年にハワイ島のマウナケア山頂に設置され、当時一枚鏡のものでは世界最大のものだった。この望遠鏡は2005年に地球から128億光年離れた銀河団を見つけたり、2006年には127億光年先のクエーサー、同年に128億8000万光年離れた銀河を発見している。すばる望遠鏡はこれほどの威力を持っているのだ。
・望遠鏡による観測によって、暗黒物質のこともよくわかってきた。その正体はいまだに謎だが、研究の積み重ねによって、暗黒物質が宇宙のどこにどれくらい存在するかを示す「地図」を作れるようになった。目に見えないはずの暗黒物質の地図を作ることが可能となったのは、アインシュタインの一般相対性理論のおかげである。
・アインシュタインについて、次のような事件がある。1919年の南半球で皆既日食が起きた時、ある天文学者が太陽の近くに見える星の位置を観測したところ、夜に見える位置よりも少しだけずれていることがわかった。この星の見え方の「ずれ」の程度が、実はアインシュタインが一般相対性理論で予想した数値とほぼ完全に一致したのだ。このことが新聞で大々的に報道され、アインシュタインの功績が讃えられた。
◯なぜ見えない暗黒物質の「地図」がつくれるのか
・一般相対性理論は、物質に重力が働く仕組みを「重力が空間を曲げるから引力が働く」と説明する。そこでアインシュタインは、空間が曲がるのならば、光も重力によって曲がって進むだろうと考えた。となると、大きな重力を持つ太陽の近くを通る星の光も曲がるはずである。
・太陽は明るいので普段は太陽の近くにある星を観察することはできないが、皆既日食のときのみ、太陽の光に邪魔されることなくその星を観察できる。そのためアインシュタインは、かねてから日食時に太陽付近の星の位置を調べることを提言していた。そして実際に、太陽があるとき(皆既日食)とないとき(夜)で、星の位置にズレがあることが観測されたのだった。それはまさしく、太陽の重力によって星の光がわずかに曲げられたことを示す。光が重力によって曲げられることを「重力レンズ効果」という。
・暗黒物質は太陽系を天の川銀河に引き止めるほどの重力を持っているから、当然そこでは重力レンズ効果が生じる。そのため暗黒物質の向こうからやってくる星や銀河の光がグニャグニャと曲げられて、望遠鏡にはさまざまに歪んだ像として映る。その歪み具合を分析することで、暗黒物質の分布がわかるということだ。
(参考: https://subarutelescope.org/jp/results/2015/07/01/920.html)
DAY11
■Yujin
WS11日目です！質問あります！
◯遠くの宇宙を見るとは昔の宇宙を見ること
・どれだけ望遠鏡を巨大化し性能を上げても、膨張する宇宙の果てまで見ることはできない。宇宙には望遠鏡という「目」を遮る分厚い壁があり、そこから先は見えないようになっているのだ。ハッブル宇宙望遠鏡は時間をかければどれだけ弱い光でもキャッチすることができるが、それでも130億光年先にある銀河までしか見ることができない。なぜか？
・ここで重要なのは、「遠くを見る」と「昔の光を見る」は同じだということだ。私たちが見ている月は1.3秒前の月であり、そこにある太陽は8.3分前の太陽である。お隣にあるアンドロメダ銀河は230万年前の姿である。今も存在するかはわからない。
・つまり、地球からの距離が遠ければ遠いほど、私たちは時間を逆行して「昔の宇宙」を見ていることになる。宇宙に望遠鏡では見えない領域があるのは、それが遠いからではなく、古い宇宙だからだということだ。
・最新の研究によると、宇宙の誕生は今から137億年前で、初めの2億年間は宇宙には星がなく、バラバラの原子と暗黒物質だけが存在する世界だった。従ってそこに光はなかったのだ。光をキャッチする望遠鏡では、このような「暗黒時代」の宇宙からは何の情報も得られないのだ。
◯光も電波も届かない、宇宙誕生後38万年の厚い壁
・とはいえ「暗黒時代」を見る方法がないわけではない。可視光線は出ていなくても、そこに水素原子があれば、電波は出ている。その電波をキャッチすれば、どこにどれだけの原子があったかを調べることはできるだろう。
・しかしその方法でも、やはり限界がある。というのも、誕生から間もない宇宙は、凄まじい高エネルギー状態の中をさまざまな粒子が飛び交う時代だ。ゆっくりと落ち着いて原子を構成できる状態ではなく、原子核と電子がバラバラの状態で存在していた。
・原子核と電子はそれぞれプラスとマイナスの電荷を持っており、それらが飛び交う空間では電磁波は真っ直ぐに飛ぶことができない。このことによって、およそ宇宙誕生後38万年の間は、どんなに頑張っても観察できないのだ
質問
皆さんが知っている/好きな天体はありますか？それはどんな観測器を用いて、いつ頃発見されましたか？その天体の発見についての詳細を書いていただけると嬉しいです。
★コバ
宇宙に想いを馳せることはたまにあります。宇宙に思いを馳せていると自然と謙虚な気持ちになってきます。人間は自分を遥かに超越している存在の前では謙虚になるのでしょうね。
・Yujin
宇宙の広さを知ったとき、「この広い宇宙の辺境で僕が何かを成し遂げたとして、それは世界にどれほどの意味があるのか(いや、ない)」と考えて、これからの人生一体何のためにあるのか…と落ち込んでしまったことがあります。物理学っぽい話でなくてすみません笑
DAY12
■Yuta
Yutaです。Yujinさんの続きです。
●物質の根源を調べることで宇宙の始まりに迫る
電磁波が真っ直ぐに飛べないため、宇宙誕生後38万年は観測することができませんが、地上の実験室である程度調べることができます。ここで素粒子物理学の出番です。素粒子物理学はそもそも、「宇宙の起源」をテーマにしていたわけではありませんでした。もともとは「物質の根源」を探ろうとするもので、この世に存在するあらゆる物質には、何か共通の「素」があるはずだと考えでした。この研究はデモクリトスの着想から2000年経ってようやくここ数百年で進歩を遂げてきましたが、さらにビッグバン宇宙論の登場により、「物質の根源」と「宇宙の起源」が結び付きました（！）。たとえば、「天上と地上の物質」を万有引力の法則で統合したニュートンも、「原子と原子を結び付ける力は何か」というテーマに取り組んではいましたが、「物質の素」と「宇宙の始まり」を関連付けて考えてはいませんでした。ニュートンの時代は「定常宇宙論」（宇宙は今も昔も変わらないという考え方）が常識だったからです。
●電子の波をぶつけて極小の世界を観測する
「極大」の宇宙を果ての果てまで見ることはできません（まさに無限）が、「極小」の世界（これもまた無限）も観察が難しいです。遠くの星は望遠鏡が、近すぎる世界は顕微鏡が必要になります。現在は原子の姿を顕微鏡で見ることができ、その大きさは10^{-10}メートル（原子をリンゴぐらいに拡大したとき、通常のリンゴを月の軌道ぐらいの大きさに拡大するのと同じぐらい拡大していることになる）。
そこまで小さい物質を見るには、顕微鏡の解像度を上げるしかありません。我々が物を見ることができるのは、物に反射した光のおかげですが、小さい物質に反射する光はそのスケールの波長をもつ必要があります。例えばFMラジオは建物の陰に入ると途切れることがありますが、AMではそういうことがありません。FMの伝播は建物に当たりますが、AMは建物を回りこんで向こう側まで抜けていけるからです。可視光線（我々が目を通して認識することのできる光）の波長では小さなものをみることができないので、光学顕微鏡に変わって、電子顕微鏡を使う必要があります。電子の波なら電子スケールの小さい物質を感知することができます。
DAY13
■Yuta
●光は波なのか粒子なのか―量子力学の始まり
そう、電子にも実は波長なるものが存在します。あらゆる「粒子」は「波」のようにふるまい、あらゆる「波」は「粒子」のようにふるまうというのを言い始めたのが量子力学の始まりです。
19世紀末のドイツでは製鉄の効率を上げるために溶鉱炉の温度を正確に測定する研究がされていました。その過程で、溶鉱炉から出る光の強さが温度によって連続的に変化せず、「とびとびの値」になるという不思議な結果が得られました。これを説明するためにプランクによって「量子仮説」が発表されました。これによれば、光のエネルギーは、プランク定数（小さな値）と光の振動数（波長の逆数）の積の整数倍の値にしかなりません。「量子」というのはもともと「とびとびの量」を意味する概念です。「とびとび」の値の差は小さく、大きなスケールだと連続的にしかみえませんが、小さいスケールにすると実は離散的であるというのがわかります。大きな世界の物理法則は小さな世界の物理法則の近似だったというわけです。
プランクの量子仮説を使ってアインシュタインは、光は「粒子」であるとみなす「光量子仮説」を提唱しました。彼は光がエネルギーを持つ粒子の集まりと考えることで光電効果という現象のなぞ解きをしました。
光電効果というのは振動数の大きい（波長の短い）光を金属に当てると、そこから電子が飛び出す現象です。実は光が「波」であるとすると、この現象は説明がつきません。しかし、光が「粒子」ならばそれが電子を弾き飛ばすと考えることができます。
アインシュタインといえば相対性理論を思い浮かべる方も多いでしょうが、実はノーベル賞を獲るほど評価されたのはこの「光電効果」の研究でした。プランクもその3年前に「量子仮説」でノーベル賞を与えられています。
●原子核のまわりを回る電子は波だった！
話を「光」から「電子」に移します。ド・ブロイという人が、「波だと思っていた光が「粒子」の性質を持つなら、粒子だと思っていた電子に「波」の性質があってもいいはずだ」ということを言い出しました。そして、実際にそうでした。あらゆる粒子にある「波」の性質を「物質波」と呼びました。あらゆる粒子が、ということは我々も当然「波」だということになります。もっとも、原子の中の電子の波長は１億分の１センチメートル程度なので感知することはできませんが、デヴィッソンやトムソンのように様々な物理学者が実験で電子の波動性を検証することに成功しました。
また、日本人では日立製作所の外村彰氏が1989年に行った二重スリット実験では電子の波動性を示す「干渉縞」が非常に美しく現れ、世界的に注目されました。世界で最も美しい実験の一つと呼ばれるぐらい素晴らしいものでした。スリットがあいた壁の向こうにスクリーンを置いて電子銃から電子を打ち出すというものです。電子が粒子ならば、電子銃とスリットの穴を結ぶ直線の延長線上にあるスクリーンの部分に集中して衝突するはずです。しかし、波が干渉することによってできるような干渉縞が現れるのです。実験の様子を残した動画があるので是非見て欲しいです。（https://www.nicovideo.jp/watch/sm7093880 ）
ド・ブロイが電子の波動性のことを言い出した背景には、電子はなぜ原子核の周囲を回っていられるのかという問題を考えていたのがあります。原子核にはプラスの電荷（陽子）があり、電子にはマイナスの電荷があります。当時完成した電磁気学によると電子が円運動をすれば、電磁波を放ってエネルギーを失い、電磁気力で原子核に吸い寄せられるはずでした。しかしそうなっていないのです。
そこで、ニールス・ボーアが最初にアイデアを出しました。原子核の周囲にはレールのようにいくつか決まった軌道が合って、電子はその上を回転している間はエネルギーを失わない。その軌道の大きさは、プランク定数を含む値の整数倍、つまり「とびとびの値」になっているというものです。これに理論的な根拠を与えたのがド・ブロイでした。電子を「粒子」ではなく「波」と考えることで粒子がぐるぐると飛び回っているのではなく、原子核の周囲を囲んだ波がうねうね揺れ動いているようなイメージです（ ←まさにこの描像）。この波が同じ状態で安定して回り続けるには、軌道の長さが「波長」の整数倍でなければならないです。そうでないと、１周した波の「山」と「谷」がぴったり重ならず、干渉によって波動が消えてしまうからです。とすると、電子の軌道の長さはボーアの言う通り「とびとびの値」になるでしょう。原子核の周囲には、波長の整数倍の長さを持つ軌道がいくつかある。そこを回っていれば電子はエネルギーを失わず、したがって原子核に吸い寄せられることもないのです。
DAY14
■Naokimen
これにて今回のWSを閉じたいと思います。もしかしたら来年度のWSで、今回の『宇宙は何でできているのか』の続きをやるかもしれないのでご期待ください。また、note記事でログが残るので、追い切れてない人はnote記事のログを読んでいただけると幸いです。2週間ありがとうございました。また次の物理学部のWSでお会いしましょう。
以上。
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