2012年11月19日

「アインシュタインの夢ー究極の素粒子理論」工学系必読

高校生のための金曜日特別講座@東大駒場「アインシュタインの夢は叶うかー究極の素粒子理論を求めて

という案内がきました

121117素粒子


タイトルに「工学系必読」と書きましたが、理工系の大学関係者でも、理学系の物理系でないと、素粒子理論、超弦理論などの最新研究へのキャッチアップは難しくなります

大学受験、大学教養課程で、量子力学と相対性理論が両立しない、ことなどは学びつつも、専攻が物理系でないと、素粒子理論、超弦理論などから遠ざかり、最近、話題のヒッグス粒子、と言われても、よくわからなかったりします

そういう状況では、「高校生のための講座」がレベルとして、ちょうどよかったりします

「高校生のための金曜日特別講座」は、いつもは高校生よりも、大学生、大学院生、社会人が多いのですが、今日は会場は高校生で超満員、立ち見も出ています。中継による遠隔参加高校も多数あるようです


原子核の周りを電子が回っていますが、大昔の物理(湯川秀樹氏が中間子理論でノーベル物理学賞を受賞した頃)では、電子と原子核を構成する陽子、中性子も「素粒子」でした

121119原子核


その後、陽子、中性子がさらに、「クォーク」と呼ばれる、粒子で構成されることがわかり、クォークが「素粒子」とされました

121119素粒子1


現時点の素粒子の標準模型は、

・クォーク(陽子や中性子を構成する粒子)

・レプトン(電子やニュートリノの仲間)

・ゲージボソン(力を媒介する粒子)

・ヒッグス(対称性の破れや質量の起源に関係する粒子)

・重力子(未発見)

とされています

121119素粒子


一方、物質の相互作用は4つの力、電磁相互作用、強い相互作用、弱い相互作用、重力相互作用とされています

アインシュタインは一般相対性理論(1915年)で「重力は時空のゆがみによって生じる」を示し、「統一場理論、重力も電磁気力も幾何学的に表現したい」とし、後世はこの研究に力を注ぎましたが、残念ながら、うまくできませんでした

そこで、「統一場理論、重力も電磁気力も幾何学的に表現したい」が、アインシュタインの夢、と言われます

その後、1926年に量子力学が発表され、粒子性と波動性をもつ量子の運動など、ニュートン力学ではうまく説明できなかった、量子レベルの現象の説明ができるようになりました。

しかし、量子力学と一般相対性理論は相性がよくなく、単純に一緒にすると、答えが無限大になってしまいます。

場の量子論でも無限大は出るが、これは朝永振一郎博士の「くりこみ理論」で解決します

特殊相対性理論(1905年)と量子力学(1926年)より「場の量子論」ができました。「標準理論」(電磁相互作用、強い相互作用、弱い相互作用)と「重力」4つの相互作用の統一が現代版アインシュタインの夢でしょうか

さて、自然界の基本定数として3つの基本次元(重さ、長さ、時間)があります。

大昔は、メートル原器、質量原器などがありましたが、物体の長さは温度により変化する訳で、基本次元を示すには適さず、

現在では、3つの基本次元(重さ、長さ、時間)は、

・プランク定数

・真空中の光速度

・重力定数

より求めます。

量子力学、重力にそれぞれ特徴的な長さがあり、

・量子力学(粒子と波の性質を併せ持つ)における特徴的長さ:粒子の位置を測定する、散乱される光の程度、コンプトン波長

・重力における特徴的な長さ:シュワルツシルド半径(ブラックホールの事象の地平線)

とされています

121119弦理論


さて、粒子は大きさのない「点」とされていましたが、これを広がりを持つ「弦」と考えるのが「弦理論」です

これにより、標準模型と重力理論を統一し、「無限大」が出ない重力理論となりました

これらの話は、図、数式を数多く使わないと、わかりづらく、また、詳しく説明しようとすると、膨大な量になります

今回は、高校生向けの内容をかいつまんで書いたので、「初歩の初歩」になってます。

詳しく勉強したい方は専門書をお読みください




stake2id at 13:56│Comments(0)TrackBack(0)このエントリーをはてなブックマークに追加

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