世界のつくり／天体編・２

２・時空間の誕生って

針先ほどの特異点から広大な時空間をこじ開けるのは、質量を得た素粒子にそそのかされた重力場だ。
一般相対性理論によると、質量を持った物質の周囲の時空間はゆがみ、そのゆがんだ座標から正常な座標への加速こそが重力・・・というものなんだった。
わが推し説は、これを逆に解釈する。
つまり、時空間があらかじめそこにあって、その環境内に重力という現象が存在するんじゃなく、重力という「質量が生む違和感」こそが時間と空間の正体なのかも、と。
この自説によると、物質を生み出すクォーク場に、質量を生み出すヒッグス場が絡めば絡むほど、特異点はねじくれ、違和座標から正規座標への乖離は甚大なものとなり、その容積に等しい時空間が開かれていく、ということになりそうだ。
一方で、クォーク場はグルーオン場と相互作用して、陽子・中性子を産み落とす。※１
これは正確には、クォーク・反クォークとグルーオン・反グルーオンが、陽子・反陽子と中性子・反中性子を産み落とし、すぐさま相互作用して対消滅する、ということだ。
が、前回に書いたように、反物質を漉し取って物質のみをこちらサイド（われわれの世界の宇宙空間）に余らせるボソン場の振る舞いがある。
このために対称性は破られ、物質であるところの陽子と中性子のみが、耕された時空間に大展開していくわけだ。
ところが、中性子の半減期は１５分と短く、そのほとんどが崩壊して陽子に変身し（ついでに電子とニュートリノを放出）、この世界は陽子・・・すなわち、水素原子核で満たされるんである。

つづく

※１　クォーク三つがグルーオンの核力で接着されたものこそが、陽子と中性子だ。

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世界のつくり／天体編・１

１・ビッグバン直後って

ビッグバンが起きて、すさまじい高温の「点」から素粒子が・・・ここではクォーク（物質の種）とグルーオン（クォーク同士を接着する係）が飛び出したんだった。
さらにヒッグス粒子がこれらと相互作用して質量を与えると、相対論（重力理論）的な時空間がゆがみまくる。※１
そんな特異点のゆがみそのものが「未来へ向かう時間の一方通行ベクトル」をともなう「宇宙空間のひろがり」となって、シン世界を耕しはじめる。
宇宙の創生、ってわけ。
さて、膨張を開始した直後の小さな小さな宇宙空間は、煮えたぎる素粒子のスープだ。
超高温で、超高密度。
だけどここで「温度が高い」と表現する事象は、もちろん空気があたためられてアチーということじゃない。※２
波動関数の弦がギンギンに震えまくって、時空間が途方もないエネルギー塊になってる、って意味だ。
その中で、おびただしい素粒子が反素粒子と対になって生成されたり消滅したりしてる。
ところが、ここで鏡映しになるはずの（パリティ）対称性は、「弱い力（粒子を崩壊させる）」によって破られるようだ。
素粒子は、各自に右巻き、左巻きという「スピン」なる性質を持ってるんだけど、弱い力には好みがあって、この両方を均等に扱うというリベラルさに欠けてるんだな。
その結果、世界に運命づけられたはずの「物質と反物質とはピッタシ同数で」「どちらか片方のみが世界に居残ることはできず」「したがって生成されたすべての素粒子は必ず反素粒子と対となって消滅し」「原理的に宇宙は永遠に無の状態である」という約束ごとが破られたんだ。
かくて、１００億個に１個という割り合いで物質がこちらサイドに取り残され（物質１００億個のうちの９９億９９９９万９９９９個は、反物質９９億９９９９万９９９９個と反応して消えてしまい、残りの１個が物質世界を構成しはじめた）、晴れて「形ある世界」が誕生する運びとなるんである。
計算違いで渡されるおつりの小銭を集めたら、チリツモで家が建った、ってところか。

つづく

※１　重力とは、相対性理論によれば、質量の周囲の時空間がゆがむ、という現象だ。
※２　空気そのものがまだないので。

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世界のつくり／宇宙編・おしまい

おしまい・エントロピーの最小・最大値って

小さな小さな時空間に、完全に均等な配置にセットされた素粒子たち。
封を切りたてで数字順にきれいに積み上がったトランプが、エッヂをきりりとそろえ、ゲームのスタートを待ってる状態だ。
これを、エントロピーの最小値、と表現する。
ビッグバンによって、このカードは広い宇宙空間に散り散りに配られ、ランダムに展開し、局所的に集まり、固まり、シャッフルされ、また散らかり・・・をくり返し、エントロピーの値を増大させていく。
つまり、配置と集団の構造を複雑化させていく。
素粒子は確率の存在で、ある瞬間に再び「カード順が正確に並び」「エッヂがぴたりとそろう」瞬間が訪れる可能性もなくはないが、１０の９７乗個が偶然に宇宙開闢の瞬間に戻るのは、５２枚のトランプがそろうのとは訳が違う。
エントロピーは増大をつづけ、宇宙は冷えつづける。
熱とはすなわち素粒子の振動であるので、ビッグバン時の高熱の広域への放散は、素粒子の振動が弱まっていく（伸長になる）ことを意味する。
宇宙は、素粒子が震えることをやめる絶対０度（摂氏－２７３・・・度）へと一直線に向かう。※１
宇宙全体、つまり一切の素粒子が凍りつくこの状態を、エントロピーの最大値、と表現する。
混沌が極まると、その先に待ち受けるのは皮肉なことに、完全な平衡状態だ。
極限まで複雑化した素粒子の配置は、文字通りに「波のない」フラットな光景を呈する。
どこにも突出した部分のない、そして動きもない、無の世界だ。
宇宙の最後の姿は、広い広い時空間に散らかった素粒子たちの永遠の沈黙、なんだった。

おしまい

※１　もちろんこれは、素粒子が震えることをやめると絶対０度になるという意味の言い換えだ。

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世界のつくり／宇宙編・２０

２０・関数の波って

量子場の波とは、何度も言うけど、実体が小分けにされてひろがる濃淡のそよぎじゃない。
波動関数そのものの高低差であり、方程式の解の三次元グラフみたいなものだ。
素粒子は、波（純粋な数字の大小）の高いところに高確率で出現し、波の低いところでは低い確率で出現する。
この波は、インフレーション時（世界のはじまりの瞬間）には、ほとんど偏りのない・・・つまり高低差のないフラットなべた凪状態だったようだ。
なので、ほとんど・・・いや、パーフェクトと言っていいほどの均一、一様な濃度で、素粒子はばらまかれた。
「運命論」の真の意味を知ってる？
これは「運動ベクトルの初期値によって、そのゆく末は完全に予測できる」というもので、つまりビリヤードの白球を小突く方向とスピードが決まっていれば、その後に多くの色玉間にどれほど複雑な連鎖反応が起きようと、最終的なビリヤード台上の玉の配置は決定済みということだ。
このことから、世界創成時のこのフラットさは、１３８億年たった今の宇宙の姿にも影響してて、宇宙空間のどこを切り取ってもほぼほぼ同じ風景、ということになってる。
大きな空間における天体の配置もそうだけど、極めて小さな空間における素粒子の濃度もほぼ偏りなし！という奇跡のような測量結果になってるんだ。※１
・・・が、量子力学によると、素粒子は決定されることを決定的に嫌い、シュレディンガー方程式の確率のみに身を置いて振る舞うので、すなわち、完璧な運命論（初期値が未来を決定づける）というのはこの世界には実在しないんだった。
さて、話はそれたが、こうして宇宙空間に一様に素粒子がばらまかれた。※２
が、対称性というものはどこかで破られるものなのだ。
なにしろこの世界は、決定論を忌避する波動関数に従ってるので。

つづく

※１　「宇宙マイクロ波背景放射」というビッグバンの残渣となった電波が、宇宙空間上にほぼ均一に散りばめられてる。
※２　ばらまかれた素粒子が一様な宇宙空間をつくった、と言うべきかもしれない。

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世界のつくり／宇宙編・１９

１９・不思議なカーペットって

結局、宇宙の創世によって生まれたのは、素粒子じゃない。
素粒子を生む、量子場が生まれたんだ。
量子場から素粒子が生まれ、さらに素粒子から時空間が生まれたんだ。
ビッグバンに先立つインフレーションが開いたのは、場というカーペットなんだ。
この、はたくといろんな素粒子が飛び出してくるカーペットが、幾重にも重なり合ってひろげられ、その結果として、宇宙に素粒子が満ちることになった。
話をさかのぼって考えてみる。
特異点がちょんとうがたれた。
この「異世界とつながる四次元ポケット」から吐き出されたのは、小さく丸められた量子場だ。
量子場は、何種類もの波動が縦糸横糸に織り込まれたカーペットだ。
この沸騰したカーペットは、ふつふつとあぶくの立つ地点（波動関数の高い部分）をはじけさせて、確率的に素粒子を生み落とす。
この素粒子というのは、実体を持つ何者かではなく、場における一時的な現象で、素粒子自体も他の場と相互作用し合って、新しい現象を起こす。
場は、高エネルギーでものすごく煮えたぎる。
ビッグバンほどの超絶的なエネルギーの環境では、チョー張りきっちゃう。
張りきる、という表現は言い得て妙だ。
思い出してほしいんだけど、場とは、波なんだった。
場（カーペット）が震えて、波打って、波頭の高いところで素粒子が発生する。
だけどこのレトリックはある意味では逆で、エネルギーの強いところは波長が短く（つまり低く小刻み）になり、さらにボリュームを上げると、ピンと張り詰めるのが実際だ。
こうして張り詰めきった一点＝運動量無限大によって得た位置こそが、素粒子（という現象）だ。

つづく

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世界のつくり／宇宙編・１８

１８・素粒子の崩壊って

中性子が、電子（素粒子）を産み落とした！
そして、なんと陽子になった！
電荷０の中性子は、電荷−１を独立させて質量を減らし、電荷＋１の陽子に変身したんだ。※１
まったく中性子ときたら、どこにこんな素粒子を隠し持ってたのか？
きみはクォーク（素粒子）三つだけでできてたんじゃなかったのかよう。
それにしても、電子（−１）が抜けることで、ダウンクォーク（−１／３）をアップクォーク（＋２／３）に変えて電荷勘定をピッタシにするなんて、とんだ算数の天才がいたもんだ。
こうして電子が大量に誕生し、とてつもない電磁場が発生して、大混乱状態に拍車がかかる。
電子は、電磁気を渦巻かせる張本人だからね。
この電子がまた、特異点の膨張によってエネルギーを失う際に、光子（素粒子）を吐き出す。
どこに隠し持ってたのか、電子ときたら、はだか一貫な素粒子のくせによう。
そんなこんなの中、いよいよ陽子が崩壊して、三つのクォークとグルーオン（素粒子）に分離する・・・かと思いきや、そうじゃない。
グルーオンの「強い力」に捕らえられたクォークは、決してその引力圏から逃れられないんだ。
いや、正確には、別の言い方をしなきゃならない。
グルーオンは、クォークから一定の距離を取ると、なんとなんと、クォークそのものを産み落とす崩壊をするんだ。※２
またまた、どこに隠し持ってたの〜？
素粒子ときたら、「物質の最小単位」なんつってうそぶいといて、中からどんどんと素粒子が湧いて出てくる。
素粒子たちの背後には、四次元空間でもあるっての？※３

つづく

※１　β−（ベータマイナス）崩壊。中性子が、電子＆ついでに反ニュートリノ（素粒子）も放出して、陽子の姿に崩壊する。
※２　正確には、クォークと反クォークが対生成され、新しく生まれたクォークがグルーオンとくっつき、分離された方のクォークは反クォークとくっついて対消滅するため、全体は崩壊前と同じ画づらとなり、よって永遠にこの二種の素粒子はつながったままとなる。
※３　「パリティ対称性」という概念によると、実際にあるようだ。

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世界のつくり／宇宙編・１７

１７・中性子って

クォーク・グルーオンプラズマ状態の特異点から、世界を開始するインフレーションが起動し、破壊的な核分裂（のような大爆発）を起こした、というタイミングだ。
ここから先はもう思考実験をするしかないんだけど、情報の断片で構成してみる。
質量の発生によって相対論的な時空間が開き、特異点が散開すると、密度と温度が下がる。
それに従って、超流体だった素粒子の固まりは相転移を起こし※１、（古典的表現を使うと）パウダリーになって集団からバラバラに独立する。
この際に、分散が大きな固まりから小さな固まりへと枝分かれしていったと仮定すると、最終段階で中性子の姿になる。
ここで、とんでもない事実を告白しなきゃならない。
中性子は、陽子と瓜二つなのだが（この二種類だけが原子核を構成できる）、中性子の方が少しだけ質量が重い。
思い出してほしいのが、中性子は電荷的に中性で、陽子は＋電荷、って点だ。
０と、＋１。
この差が、二種類の核子の質量差になってるんである。
つまり、中性子の中に、−１の要素が含まれてるんである。
その−１とは何か・・・？
察しのいいひとはもう理解できたと思うけど、なんと中性子は、お腹の中に電子（電荷−１）を隠して持ってるのだ！
電子！・・・それは、陽子、中性子とともに原子をつくり上げるもうひとりの構成員。
いや〜、驚きだよねえ、原子核の外周をめぐる電子（この構成が「原子」の形）が、まさか原子核の中にもいたなんて。
というわけで、ここから先がややこしい。

つづく

※１　氷が０度で水になり、水が１００℃で水蒸気になる、個体・液体・気体の変態を「相転移」と言うが、宇宙創生時のこのイベントは、点が物質の様式に変わると同時に時空間の変異をも誘導したことから、「空間の相転移」と現象全部をひとからげにする。

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世界のつくり／宇宙編・１６

１６・特異点って

さて、（後に構築されることになる）ぼくらのこの世界に散りばめられたすべての素粒子（ぼくの肉体を含む）が、ただの一点に凝集されてるんだった。
そんな特異点が、ちょん、とうがたれた瞬間に、まさにこの世界がはじまった。
そいつが破裂し、時間が開始された。
空間が開いた。
それにしても困惑させられるのが、この「宇宙の素」の一点における高密度と高温をどう考えるか、だよ。
空間がなければ密度もくそもないし、基準の温度がなければ高温もくそもない。
なのに、時空間の存在しない「とある位置」に、それが突如として立ち現れたんだ。
その内容は、量子力学が言うに、ものすごく強く震える波・・・言わば強力なエネルギーの固まりだった。
そしてそいつを、何者かが観測したんだろうか？
素粒子たちは位置を得、質量化した。※１
そして、質量あるところに、重力は発生する。※２
とてつもなく高密度な物体の出現に、周囲の時空間はねじくれ・・・いや、逆だ、ねじくれた異空間が、この世界独特のまっとうな時空間となったわけだ。
ぽんっ、とはじけた特異点は、細密に分解される。
ここは都合上、パウダーとなって飛び出した、と古典的に描像しよう。
特異点を構成する素材はクォークとグルーオンなので、ひょっとすると本当に核分裂のように、巨大な原子番号の元素から小さな番号のものへと粉砕されていく手順を追ったのかもしれない。
そしてコンマ０００・・・数秒後あたりに、中性子となった。
それがなぜ陽子でないかというと、中性子の中にはとても大切な秘密が内包されてるからだ。

つづく

※１　特殊相対性理論で言うところの「E=mc2」。
※２　一般相対性理論における重力理論。

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世界のつくり／宇宙編・１５

１５・インフレーションって

話が寄り道をしたが、そんなこんなでビッグバンの実相をイメージしてみる。
最新理論によれば、ビッグバンの前段階に、インフレーションという現象がまずある。
ビッグバンというイベントは、物質の素が詰め込まれた特異点が爆発的に膨張して初期の宇宙空間（ひろがりと奥行き）を切り拓いていくプロセスだけど、それに先立つインフレーションは、異空間から特異点を引っ張り出して物質的な初期値を設定する過程、とでも言うべきものだ。
で、その瞬間は唐突に訪れたんだった。
どうしたわけかそのとき、世界（世界はこれからはじまるのだが）のパリティ対称性が破れた＝鏡の世界のあっちとこっちの勘定合わせにずれが生じた。※１
具体的には、針先よりももっともっと小さな一点に、その後のこっちサイドの世界を構築するすべての素材が充填されたんだ。
その中身は、大雑把に言えば、おびただしいクォークとグルーオンで、両者はプラズマ状態に溶け合って、摩擦係数ゼロの超流体の形式を取ってたようだ。
ところで「原子核」ってのは、複数（あるいは単数）の核子がせま苦しい場所に寄せ集まったものだよね。
それに似て、特異点における高密度のクォーク・グルーオンプラズマは、途方もない素粒子を内包した「超絶過積載な原子核」と言っていい状態だったんだ。
要するにこいつが、とてつもない核分裂を起こすわけだ。
どっかーん！（音はしない。空気がないから）
すると、超流体の形で一体化してた素粒子たちはバラバラのパウダリーになり、四方八方に散開する。
・・・とは言え、この頃には四方も八方もなにも、空間自体がない。
とすれば、なにが起こるのか？

つづく

※１　反物質よりも物質の方が多く生み落とされ、バランスが偏ってしまったようだ。

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世界のつくり／宇宙編・１４

１４・科学実在論って

「コペンハーゲン解釈」を、この話のずいぶんはじめの頃に出したんだけど、厳密にこの解釈を説明すると、「素粒子が位置と運動量を同時に捉えさせないのは、観測時に他から受ける相互作用の影響の問題なのであり」「実験が不可能な事象を説明しようとする作業は無意味だ」という立場から、観測収縮という量子的現象の存在を否定するということのようだ。
論理実証主義というわけだが、どうも腑に落ちないではないか。
なのに、これを言い出したボーアさんとハイゼンベルクさんの権威はとてつもなく、アインシュタインさんあたりが強烈に抵抗したにもかかわらず、科学界の多くはそちらになびいてしまったのだった。
そこで立ち上がったのが、科学哲学者たちだ。
科学は最高度に洗練されると、実験と観測から、数学と哲学の問題へと移っていくのだ。
事実、原子の構造など視覚では捉えようがなく（「確率の波」である波動関数状態なので）、数学的な確実性を積み上げ、抽象的な模型（視覚的には具象の形で）を立ち上げて概念化するしかない。
例えば、最新鋭理論である「ちょうひもりろん」なんて、１１次元の空間にチョロひげのようなヒモが輪をつくったりそよいだりしてるトポロジー世界だが、感覚や経験から完全に独立したそんな理論が立ち上がり、物質の振る舞いを正確に（というよりも近似的に）描写できるようになってる（らしい）。
そんなわけで、実験物理は理論物理の予測を確認するセクションになっていく運命なのだった。
話は戻るが、こうした経緯から科学哲学方面がカウンター的に沸き立ち（つか、物理学会に抵抗しはじめ）、「科学実在論」すなわち、観測できないものもまた実在するという、当たり前に思えるムーブメントが開始された。

つづく

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