世界のつくり／物質編・１２

１２・この絶妙さって

とんでもなく強い力で引きつけられたクォーク三つは、「陽子」そして「中性子」という、原子核を構成する部品に格上げされる。
どの階層から上を物質と呼ぶべきかは哲学的な問題になるけど、このふたつは工学にも用いられるほどの素材だから、すでに姿かたちを持つ「もの」と呼んでいいかもしれない。※１
この陽子と中性子が、いよいよ直接的に原子核を構成するわけだ。
ところで、どちらもクォーク三つが結びついたものなのに、どうして二種類の別ものになるんだろう？
原子の構築を進める前に、この素性をはっきりさせておく。
実は、クォークには電荷の違う二種類のものがあったんだ。※２
片方の「アップクォーク」の電荷は、＋２／３。
もう片方の「ダウンクォーク」の方は、−１／３だ。
陽子は、アップが２個にダウンが１個くっつくので、三つのクォークの電荷を合計すると、なんとぴったし＋１になる。
中性子は、アップが１個に、ダウンが２個で、差し引きすると、こちらはなんとぴったし０。
こうなる前提でくっつくのか、くっついて偶然こうなるのかわかんないけど、こうしてこの世界に「男の子粒子」である陽子と、「おかまちゃん粒子」である中性子が発生するのだ。
だけど、これだけで世界のすべてがつくれるわけじゃないことは、あなたにも直観的にわかるはずだ。
その通り、後になってここに、電荷が−１の「女の子粒子」が現れて一大センセーションを起こすことになるので、お楽しみにね。

つづく

※１　何度も書いてるように、それは幻想だが。
※２　本当は六種類ある。


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世界のつくり／物質編・１１

１１・グルーオンって

ここからいよいよ素粒子・・・極小に刻みきった「物質のタネ」であるクォークから、いっぱしの物質といってよろしい「原子」までを組み立ていく。
このお話の最当初の頃に、「クォークは三つ集まって、原子核内の陽子と中性子を構成する」と書いたよね。
まずは手はじめに、そいつをつくってみよう。
・・・とその前に、実はここでもう一種類の素粒子が関わってくるので、ご紹介だ。
素粒子とは、何度も書くようにつぶじゃなく、波打つエネルギーなんだった。
そんな純粋な、「力」だけを持った素粒子だよ。
質量がゼロで、姿かたちもなく、クォーク同士の接着剤の役割りに特化した素粒子なんだ。
その名を、「グルーオン」という。
グルーは、「のり」って意味だ。
その名の通りに、磁力の１００倍というものすごい引力を発揮するんだ。
そのかわりに、発揮する引力が及ぶ範囲はものすごく短い。
素粒子同士がまさに触れ合わんとするところまで近づかないと、働かないんだ。
遥か永遠の彼方にまで及ぶ（けどめちゃくちゃ弱い）重力とは、えらい違いだ。
この接着剤素粒子が、クォーク同士の間に介入して、三つをくっつける役割りを果たす。
ぴた、ぴたーん！
この働きこそが、前回に書いた「素粒子間の相互作用」だよ。
クォークとグルーオンは、相互作用し合って、ひとつの仕事をする。
そして、ひとまず定位置を持つ。
素粒子たちの役割りとは、「パウダーでいる」ことじゃなく、実際にはこういう地味かつ実質的なやつなんだ。

つづく

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世界のつくり／物質編・１０

１０・光って

波（量）が一点に収縮して位置を持つと、それは物質になる・・・というわけでもないようだ。
それは「つぶ状の現象」なのであって、厳格な意味での「つぶ」ではない。
クォークもまた、単独では物質とは言い難い。
「すべての物質は素粒子からできている」という論法を裏から読んでも、クォークは物質ではない。
素粒子にはいろんな役目があって、クォークは「人類が『物質』と認識できるタイプのマクロ構造体における最小部品」という役割りを担う。
クォークは「たくさん集まると物質をつくるが、個別の本人は物質とはいえない」のだ。
それにしても、物質でないもの（波・エネルギー量）を、どれだけたくさん集めて固めたとして、それは物質になるものなのか？
まったく、この世は直観とはかけ離れたマボロシそのものだよ。
ところで、アインシュタインさんが光量子仮説で取り上げた「光子」は、電磁気力を媒介する素粒子だ。
普段（でもないが）波として空間上に広くひろがって震えてるこの子は、大きく波打って電波になったり、ちょっと波長を詰めて可視光になったり、もっと短く強く震えて紫外線になったり、もっともっと小刻みに強烈に震えてX線になったりガンマ線になったり・・・といろんな波長で過ごす。
それが、最高度に短い震え方をするとき・・・それは逆に「まったく震えなくなったとき」と言っていいが、要するに一点にまとまる。
その瞬間、光子はついに素粒子に・・・別の言い方では、純粋な光となって位置を持ち、直線的に進む。
この波の収束こそが、量子の性質だ。
そこでクォークだが。
一点にまとまったこの子の役割りは、光ることでも、くっつけることでもなく、とにかく物質の素材になることだ。
具体的には、「物質を構成する原子の中心に位置を得る」ということだが、いったいどうすればいいのだろうか？
ここに、素粒子特有の「相互作用」という現象が出てくる。

つづく

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世界のつくり／物質編・９

９・ここからやっとはじまりって

いろいろと面倒な知識を吹き込んでしまったかもしれないけど、このへんまでが知っておかなきゃいけない素粒子の最低限の振る舞いだ。
そんな新しい認識をもとに「世界のつくり」を説明するというのが、このお話のテーマなんだ。
このお話は最初、石ころを砕いて小さくしていくところからはじめた。
今度は逆に、いちばん小さな単位である素粒子から、大きな石ころをつくり上げていく。
そうして、なぜ手応えスカスカの「無の震え＝波」が、硬くて重量があってみっしりと密度を持ったこの物質世界を構成できるのかを説明していこうと思う。
ところで、さっきからぼくはお話の中で「素粒子」という言葉を使ってるけど、「量子」という呼び名はどこにいったんだ？と感じたかもしれない。
実は「量子」とは、波とつぶの姿の間を行き来する最小単位物質の素行や現象を総合した、言わば性格を表現するニックネームみたいなものだ。
一方の「素粒子」は、その子そのものをシンプルに表す古典的な言いまわしだ。
なので、お話をわかりやすくするためにここは、ミクロの舞台を立ちまわってくれる登場人物を「素粒子」と（主に）呼ぶことにする。
さて、お話の序盤に出てきたクォークを覚えてる？
石ころを刻んで刻んで、原子にして、原子をまたパーツに分解して、そして最後の最後に「もう分けられない！」という最小の部品が、クォーク（と電子）という素粒子なんだった。
世界を取り巻く約束ごとを知った今、やっとそこにたどり着くことができた。
正確な形で、だ。

つづく

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世界のつくり／物質編・８

８・コペンハーゲン解釈って

ここまで書いたからには、知っておいてもらおうと思う。
これを読んだら、半分のひとは「ばかばかしい・・・」と、この読みものを見限るかもしれない。
あのアインシュタインさんでさえも、「ふざけんな！」とあきれ果てた件だ。
前の回で、「二部屋に仕切られた箱の中で、一個の量子は（ひとに観測されるまでは）両方の部屋に同時に存在する」と書いた。
これをシュレディンガーさんは、うまい仮想実験で説明してる。※１
二部屋に仕切られた箱の片側にネコを入れておき、一個の量子をスイッチとして、一方の部屋に毒ガスが充満する装置をつくるのだ。
量子が、ネコのいる側に存在すれば、スイッチが入ってネコは死んでいることになる。
反対側なら、ネコはセーフだ。
さて、結果だ。
装置のついた箱をあなたは開けて、ネコの生存・死亡を確認する。
果たして量子は、ネコのいる側でない方の部屋で観測され、ネコはセーフであった。
が、あなたが箱を開けるまでの内部の状況には、極めてシリアスな状況がある。
なぜなら、量子はあなたに見られて観測収縮を起こすまでは、両方の部屋に同時に存在してたのだから。
すなわち、あなたが箱を開ける前、ネコは「死んでた！」のだ。
そしてさらに奇妙なことに、量子がどちらの部屋にも同時に存在してたことから、ネコは「死にながら」「同時に生きてた！」のだ。
あなたによって観測されるまでは！
これこそが、波動関数における確率５０・５０の意味だ。
こうしてネコの生き死に・・・すなわち観測結果が定まる際に世界は分岐し、パラレルワールドへと向かう着想に結びつくんである。
コペンハーゲン派と呼ばれる物理学者集団（当時の世界における最高頭脳の約半数と言える）が「真実」と認めるこの現象を、信じるか信じないかは、あなた次第です。

つづく

※１　実際のものは放射性崩壊などの情報が含まれてややこしいので、ここでの説明では、わかりやすくアレンジを加えてある。

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世界のつくり／物質編・７

７・波動関数って

なんだか難しいことになってきたけど、今話してるのはシンプルな「素粒子」、つまりこの世界でいちばん小さな一個のつぶなんだってことを思い出して。
ただ、今やその存在は、人間界（スケール）の常識にはおさまらない。
小さな子たちのどんな振る舞いも許容するおおらかな気持ちで、ここから先の説明に備えてちょうだい。
さて、量子（素粒子）は姿を現す際に、広々とひろがった波を一点に集約させ、コロリとつぶ状にまとまるんだった。
だけど、ひろがる波のどこに実体をひそませてるのか・・・つまり、どの位置で固まって出現するのかは、観測の瞬間まで教えてくれない。
つぶは、観測した途端に、突如として「どこかの一点」に出現する。
その厳密な位置は、確率でしかわからないんだ。
古典的に考えれば、この現象は「量子の実体は、広いエリア（波）に薄くひろがってる」が、「ひとに見られることを合図に、ピンポイントに集中して固化する」と見える。
だけど、不確定性原理によると、その考え方は根本から間違ってる。
量子の実体は、広々とひろがった波の中の「あそこにも」「そこにも」「ここにも」「どこにでも」同時に存在してるんだ。
分身した何人もの実体が並列に存在してる、とでも言えばいいのかな。
一方で、波の中のあちこちに、姿を現す確率の高いところと低いところが設定される。
例えば、当たり前に現れるであろう場所（電子なら、原子核を周回する軌道内とか）には、極めて高いオッズが割り当てられる。
が、「まさかそんなところに？」という低いオッズの場所にも、しれっと現れる（そこにだって並列で存在してたんだから）。
すべては確率の問題で、そのオッズはシュレディンガーさんが考えた「波動関数」ではじき出される。
例えば、ひとつの箱の中を仕切りで二部屋に分け、部屋間を行き来でき、両部屋の波動関数による確率を「５０・５０」とすると、一個の量子は「こちらの部屋とあちらの部屋の両方に同時に」いる。
そして、フタを開けた（観測した）瞬間に、どちらかの部屋にいることが事後的に確定する。
だけどその寸前までは、彼女はどちらの部屋にも同時にいたんだよ。
謎すぎ・・・

つづく

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世界のつくり／物質編・６

６・光量子仮説って

むかしから、小さなつぶが波のような性質を見せたり、波としか思えない「光」がつぶのように振る舞ったりという不思議な現象は、科学者たちを悩ませてた。
ニュートンさんは「光はつぶだ」と言って、光のスペクトルをエネルギー順に分割して虹の七色を検出したけど、それをくつがえして「光はつぶ状に固まった波だ」としたのが、またしてもアインシュタインさんだ。
彼は、特殊相対性理論と同時期に発表したこの「光量子仮説」の方でノーベル賞をもらったんだよ。
これで二律背反の「どっちなんだ問題」にケリがつき、事実上の量子力学がはじまったんだ。
それにしても、光は波であり、つぶであり・・・要するに両方だったとはねえ。
それは、光量子仮説によればこういうことなんだ。
光は、姿かたちを持たない純粋なエネルギーの振動だ。
その強さの大小（エネルギーのボリュームと言おう）は、飛び飛びの値を取る。
つまり、光が持つ「量」なるものは、「弱い」から「まあまあ」そして「強い」までの連続したボリュームでつながってるわけじゃない。
水面に立つ波は、水を手で掻くことで、だんだんと滑らかに、連続的に大きくなっていくよね。
小さい波が、いきなりモノをすげ替えたように、ぴょん！と大きくなるわけじゃない。
ところが、波と見える光の強さは、数値が整数倍でぴょんぴょんと飛んでるんだ。
整数は、小数や分数や無理数（コンマ以下が限りなくつづく数）などすべての実数が連続する数直線の流れの中で、離散的（飛び飛び）に置かれてるよね。
そんな具合いに、光の強さは、１から２や３にいきなり飛ぶ。
エネルギーが一定の量でひとくくりにまとまってるから、つぶに見えるんだ（「量子」と呼ばれるゆえんだ）。
というわけで、ひとつの数値の整数倍のエネルギー量を取る光は「たくさんのつぶである」と考えることができる。

つづく

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世界のつくり／物質編・５

５・不確定性原理って

ちょっと今からへんなことを言うから、身構えて。
前回まで、量子の正体を「波のひろがりが、空間上の一点にギュギュッとまとまったもの」と説明したよね。
そうして、波がつぶになる、と。
だとしたら、「つぶになる」のはどんなときだと思う？
それはね、「ひとに見られたとき」なんだ。
・・・まてまてまて、去らないで、冗談を言ってるわけじゃないから、もう少しつづきを読んで。
波の形に散らかるエネルギーが凝縮して、粒子の姿に物質化する・・・というのは、ハイゼンベルクさんの不確定性原理という式で証明された、量子力学の最もベースとなる理論だ。
広々とひらいた波が瞬時につぶになっちゃう現象は、簡単な実験で確認できる。
だけど、この「つぶになる瞬間」が、深遠な謎に包まれてるんだ。
なぜならその変わり身は、「ひとにのぞかれることをスイッチにして」発動するというんだから。
何度実験をしてみても、波はひとがのぞいた瞬間に・・・あるいは観測機がとらえた瞬間に、「観測収縮」を起こしてつぶに化ける。
なのに、観測しなければ・・・つまりひとにのぞかれなければ、波は波のままなんだ。
要するに量子は、波とつぶとの両方の姿を使い分けてるようだ。
そして、どういうわけかそのヘンシンは、ひとに見られる際に起こる。
しかもそれは一瞬の出来事で、なんとなんと、光の速さを超えるほどの素早さなんだ！
まったく、アインシュタインさんの相対性理論（光よりも速いものは存在しない）が、ついに「古典物理学」と言われてしまうわけだよ。

つづく

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世界のつくり／物質編・４

４・量子って

今や「粒子」とは名乗りづらかろう素粒子は、その秘密を知るスジから、新たに「量子」との呼び名をもらった。
ちょっとサイバーちっくで、かっこよさげではないか。
この姿かたちのないおばけみたいなやつ（波）がたくさん集まることで、どういうわけだか、この手応えにあふれた物質世界が構成されるようだ。
まったく、不思議なことだ。
ところで、量子の「量」ってなんだろう？
それは、波が震える運動量のことで、エネルギーの強さだ。
このおぼろげなエネルギーが、ある瞬間、空間上に確固たる位置を持つ。
散らかってた波が、一点に凝縮されるわけだ。
位置を得た波の運動量のかたまりは、「質量」と言いかえていいかもしれない。
こうしてエネルギーはヘンシンし、つぶという解釈、すなわち古典的な意味での素粒子の形式を取る。
アインシュタインさんが言うところの「エネルギー＝質量×光速の二乗」が示すとおりだ（特殊相対性理論）。
さて、質量とは、この地球上ではまんまkgをさすことが多いけど、「空間上での動かしにくさ」と理解するといい。
押してなかなか動かないものは質量が大きい、と。
そしてこの地球上では、質量を持つものこそが実体である、という言い伝えがある。
物質というマボロシの一丁あがりだ。
なのに、「その中身は波だった！」というわけだ。
謎は深まるばかりではないか・・・

つづく

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世界のつくり／物質編・３

３・波って

この物質世界を構成する最小単位である素粒子にたどり着いて、いよいよ根源的な謎に踏み入っていく。
今さらこんな告白をするのもなんなんだけど、素粒子は粒子じゃないんだ。
ピンセットの先でつまめる質のもの・・・つまり、つぶじゃないの。
素粒子は、波なの。
・・・きょとんとしてる？
石ころを刻みきったら、最後には姿が消えて、そこには波がひろがってた・・・なんて、まるでポエムだ。
アインシュタインさんが、「物質（質量）とはエネルギーのひとつの形である」として、例の関係式（Ｅ＝mc２）を編み上げたけど、素粒子は、実体を持たない「無」による振動・・・つまり純粋なエネルギーなんだ。
ところがこいつときたら、あるときはつぶにもある。
波って、震えのひろがりのことだけよね。
この震えが一点にまとまると、つぶになる。
だけど、そこに実体はない。
だから正確には「波がつぶになる」というよりも、「ひろがりが位置になる」と表現するべきかな。
「なにゆーとんの？」とあなたは感じるかもしれない。
だけど、これが最新科学によってほぼ合意された見解であり、最先端テクノロジーによるまぎれもない実験結果であり、要するに真実らしいんだ。

つづく

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