物理学の最近のブログ記事

毎日新聞によると、東大地震研が、ミュー粒子を使って、地中の断層を撮影することに成功したという。以下、引用:

宇宙から降り注ぐ「ミュー粒子」を使って、地中の断層を撮影することに、東京大地震研究所の田中宏幸准教授(高エネルギー地球科学)らのチームが初めて成功した。日本列島の地下には無数の断層があり、一部は地震を起こす可能性のある活断層だ。地中の断層の調査は実際に掘って確かめるトレンチ調査が主流だが、この方法を実用化できれば、大幅な経費削減が期待できるという。

ミュー粒子は岩盤も通り抜ける素粒子だ。チームは、雨水などは断層の隙間(すきま)に沿って地中にしみ込むことに着目。水を含んで密度が低くなった岩盤を通り抜けたミュー粒子の数を測定することで、断層の有無を判断できると考えた。

観測実験は、日本を東西に分ける大断層線「糸魚川(いといがわ)・静岡構造線」で、10年6月から同7月にかけて実施した。同構造線が走る新潟県糸魚川市内の丘陵地にある既知の断層が、構造線があると予想される線(予想線)とは違う方向に延びていることから、予想線の地下にも未知の断層があると予測。丘陵地のふもとに観測装置を設置し、空から丘陵地を通り抜けるミュー粒子を観察した。

装置を中心に扇形の範囲を観測したところ、既知の断層だけでなく、予想線に沿った丘陵の地中にも密度が低い部分があり、未知の断層を確認できたと判断した。

田中准教授は「装置を設置して観測するだけなら100万円程度。一回数千万~数億円かかるトレンチ調査に比べ格安だ。将来的には密度の変化をリアルタイムで分析し、地震発生予測に生かせるかもしれない」と話す。【石塚孝志】

ミュー粒子、すなわちミューオンを火山の活動状態の調査ために観測することは以前、この記事に書いた。すると、ミュー粒子を観測して地中の状態を推測することは、従来から知られていたが、より観測粒度を上げて、地中の断層自体を観測できるようにしたことが特徴である。

ただ、よく考えると分からないのは、「空から丘陵地を通り抜けるミュー粒子を観察した。」というくだりである。ミュー粒子は宇宙からほぼ一様に降り注ぐに違いないが、その降り注ぐ先の地中に、水を含んで密度が低くなった岩盤があると、ミュー粒子は貫通しやすくなるのだろうか。しかし、貫通しやすかろうと、貫通しにくかろうと、宇宙から降ってきて過ぎ去ったミュー粒子が、電子を放出するなどなにかの痕跡を残してくれないと測定できない。すると、ミュー粒子は、地中の硬い岩盤に行き当たると強く反応して電子を相対的に多く放出し、断層のような比較的弱い岩盤に行き当たると、放出される電子の量が相対的に少ないのだろうか。そもそも電子を測定しないと、ミュー粒子が崩壊して放出される片割れのニュートリノは、ほとんど観測にかからない。

そこで、特許調査してみると、特開2005-274454によると、「宇宙線が地表面に降り注ぐと、各種鉄鉱物にふくまれる元素(Fe,O,S等)と宇宙線の間で核反応が発生する。この核反応には、核破砕(Cosmic-ray Spallation)、ミューオン キャプチャー(Muon capture)、ファースト ミューオン インデュースト リアクション(Fast muon induced reactions)があり、これらの核反応によって、図4に示すように、10Be、14C、53Mn、26Al等が生成される。」とある。なるほど、これらの核反応の結果を測定するようである。

また、特表2008-530581は、「本発明は、様々な軌道に沿って地下の評価領域を貫通している宇宙線ミュー粒子(CRM)フラックスを検出し、上記ミュー粒子検出データを収集し、上記データを処理して、上記評価領域に応じた3次元密度分布イメージを形成するために構成されたシステムを開示する。上記システムを用いて、地表(または海底表面)のはるか下の高(または低)密度ミネラル堆積物または他の地質構造または地層の集中している場所を識別する。上記システムを利用して、数キロメータまたはそれ以上の深度を有する評価領域における、より高密度および/またはより低密度の地質物質および地質構造をイメージングする。」というものである。

すると、上記記事の研究は、非常に画期的というものでもないように思われる。

物理学の5つの基礎理論

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「ブラックホール物理学」今枝国之助、今枝真理著、講談社ブルーバックスに、カール・フォン・ワイゼッカーが提唱した物理学の5つの基礎理論について述べられている。それは、次のようなものである。

  1. 時間空間の理論
  2. 自然界に存在する物質及び力の種類に関する理論
  3. 自然法則に関する理論
  4. 微視的対象の集合体に関する理論
  5. 宇宙全体の統一体に関する理論

私がもっているワイゼッカーの著書に、「自然の統一」斎藤義一、河井徳治訳、法政大学出版会がある。この本をよく読めば、物理学の5つの基礎理論が読取れるのかもしれないが、あまり自明でないので、とりあえず「ブラックホール物理学」の記述に従うことにする。

ちなみにワイゼッカーとは、1912年生まれの、物理学者・哲学者である。例のニールス・ボーアに指導を受け、ストラスブルク大学理論物理学の教授やハンブルク大学哲学教授を歴任した。物理学の業績は、原子核の束縛エネルギーに関するワイゼッカーの質量公式や、二つの粒子の衝突における計算の、ワイゼッカー‐ウィリアムズの方法などが知られており、物理学の業績も大したものである。私がこの本を買ったのはなんと、30年も前、科学哲学に多大の興味をもっていた頃である。「自然の統一」という書名に、統一科学(Einheitswissenschaft)的な香りを感じとって、ちらっと眺めたものの、長く積読になってしまっている。残念。

さて先ず、時間空間の理論とは何かというと、これはとりあえず、一般相対性理論である。他にないのかというと、そんなことはもちろんなく、佐藤勝彦のインフレーション宇宙論やホーキングの宇宙論もまた、時間空間の理論であろう。なにしろそこでは、ビッグバンが起きる以前の虚時間が導入されるし、ビッグバン自身が、空間を創生する理論である。空間を創生するだけでなく、空間の中身たる素粒子や銀河まで作り出そうとする、この上なく欲の深い理論である。ただそこで、一般相対性理論やインフレーション宇宙論の時空の取り扱いはいまいち古典的なのではないかという問いかけもなされえる。すなわち、時空そのものを量子化しなくていいのか、という素朴な問いかけである。これに答え得るのは、量子重力理論であり、宇宙ホログラム説なのだろうか。

次の自然界に存在する物質及び力の種類に関する理論とは典型的には、素粒子論である。同じ意味で、場の量子論や、超弦理論、そして、その発展としてのM理論などもここに入るのだろう。

さて、自然法則に関する理論とは何か。ここはなんと、量子力学の理論なのだという。自然法則に関する理論とは、いかにも哲学的な問いかけであるが、確かに、量子力学の哲学という分野はあっても、場の量子論の哲学という分野は聞いたことがない。量子力学の範囲だと、因果律の破れとか、事象の確率、量子論理など、哲学的な土俵に持ち込めるが、場の量子論や素粒子論となると、配役が多すぎて、思考の対象をフォーカスできないのかもしれない。

微視的対象の集合体に関する理論とは、典型的には、熱力学、統計物理学、流体力学、電磁流体力学などである。すなわち、多数の粒子の集合体には独特の挙動があり、別途研究を要する。エントロピー、エルゴード性など、さまざまな巨視的な性質が出てくる。

宇宙全体の統一体に関する理論とはまさに、上記のインフレーション宇宙論などが該当する。また、量子論の解釈に述べた多世界解釈も、宇宙論として外せない。

こうしてみると、当たり前であるが、物理学の5つの基礎理論といっても、互いに深く関連しあっている。例えば、象を研究するために、鼻から取り掛かっても、耳から取り掛かっても、尻尾から取り掛かっても、結局、同じ対象に行き着くのであって、しかし、最初は、象の鼻の長さはどれほどかという理論と、象の尻尾にやってくる虻はどんな虻かという研究が、異なるように見えるのもやむをえないのである。

ビッグバン以前の宇宙

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ナショナルジオグラフィックによると、ビッグバン以前の宇宙に関する理論が発表されたという。以下、引用しつつコメントする。

目に見えないが、宇宙にはリング状のパターンがある。これはビッグバン以前に宇宙が存在した痕跡だと主張する研究結果が発表され、議論を呼んでいる。もしこの理論が正しければ、宇宙は絶え間なく再生しており、現在の宇宙はその"最新版"にすぎない可能性がある。その証拠が初めて示されたというのが今回の主張だ。

これは要するに、ビッグバンはあったけれども、それは宇宙の始まりではないというものであるが、ここで述べた、フレッド・ホイルらの定常宇宙論と何が違うのだろうか。また、インフレーション宇宙論との整合性も気になる。

宇宙マイクロ波背景放射(CMB)を新たに分析した結果、リング状のパターンが発見された。CMBはビッグバンの名残で、現在は宇宙の全域に広がっている。リングの多くはまるで波紋のように、入れ子になっている。その内部は、CMBのほかの部分と比べ温度がより一定である。

なるほど、宇宙マイクロ波背景放射はビッグバンの証拠とされたが、ここでまた、宇宙マイクロ波背景放射を追求して、新たなる理論を編み出そうとするのか。

イギリス、オックスフォード大学のロジャー・ペンローズ氏とアルメニアにあるエレバン物理研究所のバヘ・グルザディアン(Vahe Gurzadyan)氏によると、ビッグバン以前の宇宙でブラックホール同士が衝突し、リングが生まれた可能性があるという。

真打の一人、ペンローズの登場である。ペンローズはいまや78歳、うちの父とそんなに歳は変わらないが、その意欲は衰える様子がない。しかし、エレバン物理研究所のバヘ・グルザディアンとは、一体何語の名前なのだろう。

2つのブラックホールが衝突すると、重力波と呼ぶエネルギーの波動が発生すると考えられている。ブラックホールの質量が大きいほど、波の数は増え、強力になる。重力波は時空の構造をゆがめる。ペンローズ氏とグルザディアン氏によれば、その痕跡としてリング状の模様を残す可能性があるという。

なるほど、ブラックホールの衝突で、ブラックホールの衝突方程式はどうなっているのだろうと疑問を呈したが、どうもペンローズたちが既にそれを解いているようである。もともと、ペンローズは、一般相対論の泰斗でもあるのだから、当然か。

天体物理学者の間からは異論も出ている。
カナダにあるブリティッシュ・コロンビア大学のジェームズ・ジビン(James Zibin)氏は、「さまざまな変遷を経ても、波紋が残りつづけるというのは奇妙に感じる。ほかにも細部の甘い点がいくつも見られる」と指摘する。

それはそうだろう。まだまだ若い理論で、多くの彫琢を経なくてはならない。

ペンローズ氏は数年前から、宇宙の循環モデルを温めてきた。その理論によれば、現在の宇宙を生んだビッグバンは前例のない現象ではない。少なくともそれ以前に1度は発生し、現在とは異なる宇宙を生み出した。その前にも数え切れないほどの宇宙が存在した可能性があるという。

なるほど、ビッグバンを包摂する発展理論か。それなら、学会からも受け入れられやすいだろう。

ペンローズ氏は宇宙の1周期を「イーオン(aeon)」と呼んでいる。1イーオンは想像を絶するほど長く、現在の宇宙の年齢137億年をはるかに凌ぐという。イーオンはビッグバンとともに始まる。そして、均質で希薄な粒子の海だった生まれたての宇宙が、銀河や恒星、惑星、生命といった複雑な構造へと進化していく。その間、おそらく謎めいた暗黒エネルギーによって宇宙は加速度的に膨張する。暗黒エネルギーは現在の宇宙でも時空を膨張させている。

実際、私の直感では、現在の宇宙が137億年だなんて冗談ではない、短すぎるのである。それは、人間の寿命の1億倍のオーダーでしかない。

ペンローズ氏の理論によると宇宙のすべての物質は、天の川銀河をはじめとする大銀河の中心に潜む超大質量ブラックホールに吸い込まれる運命にある。超大質量ブラックホールは物質を吸い込むごとに成長し、衝突による合体でさらに巨大化する。理論では、この衝突によって発生する重力波がCMBのリングを生み出すという。

待て待て、すべてが超大質量ブラックホールに呑み込まれるというのは、ちょっと直感に反する。

CMBのリングの存在に関しては、反対する者はない。ペンローズ氏らの研究に反論する論文を書いたブリティッシュ・コロンビア大学のジビン氏も、「リングの存在については支持する」と述べる。「われわれが異議を唱えているのは、リングの意味の解釈だ」。

ペンローズ氏の循環モデルには、「インフレーション」と呼ぶプロセスが含まれていない。インフレーション理論によれば、初期宇宙は急激な膨張を経て、現在の大きさ、形を手に入れたという。インフレーションは、ビッグバン理論が持つ多くの問題を解決する。その中には、CMBの研究によって浮上した問題も含まれている。

しかし、ペンローズ氏は、「現在の宇宙が生まれる前に別の宇宙が存在し、やはり加速度的に膨張したのだとしたら、インフレーションは必要ない」と主張する。

インフレーション理論だの、インフレーションは必要ないだの、まるで経済政策の話のようであるが、ここらあたり、1つの理論が他の理論を完全に打ち負かすのは難しいのではないか。なぜなら、宇宙創生の標準理論になっているインフレーション理論とて、完全に実験で確かめることは難しい。結局は、ムードというかファッションということにならないか。

「前のイーオンで宇宙は加速度的に膨張し、その結果、均質になった。これがインフレーションの代わりになると考えているようだ」とジビン氏は説明した。

ここらあたりの解説本をアマゾンでみたが、流石に新しすぎて見当たらない。とりあえず手許にある「宇宙はどこまでわかったか?」岡村定矩編、数学セミナー別冊あたりを眺めて想像力を逞しくすることにしよう。

インフレーション宇宙論

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私は正月が好きではない。単なる年の区切りにすぎないのではないかと思ってしまう。それでも、恒例により福袋を買いにデパートに出かけたが、手持ち無沙汰になって、デパート内の書店に立ち寄ってしまった。いつきても、本屋は気が安らぐ。

福袋が立ち並ぶ食料品や衣類の売り場とうって変わって、書店内は実に閑散としている。普段よりもむしろ暇なくらいである。そこで所在なく散策していると、「インフレーション宇宙論」、佐藤勝彦著、ブルーバックスを見つけた。あれっ、こんな大御所が書いたインフレーション宇宙論の入門書があったのかと奥付をみると、2010年9月刊とある。

いままで、宇宙創生理論などと書いてきたが、インフレーション宇宙論のことは実はほとんどなにも知らないことに今更気付いた。そこで、情けなさを噛みしめつつ、この本に基づき、インフレーション宇宙論について私なりに要約してコメントしてみる。

なぜそう誤解しているのか自分でも理解できないが、私は、インフレーション宇宙論は、一般相対性理論の古典的枠組みだけから構築されていると誤解していた。しかし、ちょっと考えてみれば、一般相対性理論だけからビッグバン自体も導き出すことは不可能である。人間の思い込みは、あまりにも哀しい。

とはいえ、インフレーション宇宙論は、一般相対性理論が提起する宇宙の曲率と、観測データから出発する。すなわち、宇宙の曲率が正だと、宇宙は収縮して潰れてしまう。一方、宇宙の曲率が負だと、宇宙は急速に膨張してしまう。宇宙の曲率がゼロだと、宇宙は緩やかに膨張する。

現在の観測結果によれば、宇宙は膨張しているので、宇宙の曲率は負またはゼロであるが、もし曲率が負だと、宇宙の中身は薄すぎて銀河のような構造が生じない。

そこで、宇宙の曲率がゼロであると仮定すればうまくいが、どうしてこのように最適に曲率が選ばれるのか、という疑問が湧く。

著者は、場の量子論の標準理論が規定する4つの力、すなわち、重力、強い力、弱い力、電磁力が実は、極めて高エネルギーの状態では1つの力に縮退しており、それらの力が分離するとき、相転移の潜熱の開放という形で膨大なエネルギーが放出されると考えた。そうして、一般相対性理論の方程式の右辺の、アインシュタインが与えた宇宙項として、そのような潜熱を代入して解くことにより、指数関数的な空間の膨張が説明されることに想到した。これをインフレーション宇宙論と名づけたのは、佐藤勝彦氏とほぼ同じ時期に同様の理論を考えたアラン・グースである。

インフレーション宇宙論によると、ビッグバンの10-44秒後に重力が分岐した。次にビッグバンの10-36秒後に強い力が分岐した。そして、ビッグバンの10-11秒後に電磁力と弱い力が分岐した。

さらにインフレーション宇宙論によると、10-36秒後に強い力が分岐するとき、モノポールが多数発生するはずなのだが、モノポールは、空間の急速な膨張によって遠くに押しやられるので、観測にかからないと言いなすことができる。

このような急速な膨張は、ビッグバンの10-35秒から10-34秒の間に特に急速に進んだ。この急速な膨張は真空の相転移を起こし、それがさらにエネルギーを生み出した。

この際、ビッグバンの膨張する速度は光速を超え、また、真空の相転移という形で空間が広がるにつれてエネルギーが生み出されていくので、ビッグバン直後では、エネルギー保存の法則が成立しない。すなわちそこは、物理法則の番外地なのである。そこはどうしても、佐藤勝彦氏は明言しないで言葉を濁す。

インフレーション宇宙論の優れているところは、量子ゆらぎ効果を考慮することによって、銀河団などの宇宙構造の非斉一性を説明できることである。

それではビッグバンはどうやって始まったか。それは、ホーキングなどが提唱する虚時間理論で説明される。すなわち、ビッグバン以前に虚時間で記述される時期があり、そこではそのままではエネルギ・バリアに阻まれて安定状態にあるが、トンネル効果によってある確率で、そのエネルギ・バリアを通過するので、そこからビッグバンが始まる。これは無から有を生じることなのであり、ここでもまた、物理法則の番外地性が痛いほど感じられる。

さて、宇宙論の最大の難問の一つにダークエネルギーがある。それは、佐藤勝彦氏によると、インフレーションを起した真空のエネルギーではないかというのだが、今のところの通説は、超対称性理論におけるニュートラリーノではないかというものである。ただ現時点で、ダークマターやダークエネルギーが何であるのか誰も分かっていないというところだろう。

こうして宇宙論は、幸便にも、謎の温床であり続けている。むしろ、インフレーション宇宙論のひそみにならって、解明されればされるほど、新たな謎を指数関数的に生み出すといえる。

ブラックホールの衝突

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毎日新聞によると、地球から2億8000万光年離れた巨大銀河の中心にある2つのブラックホールが衝突直前の状態にあり、500年後にぶつかることが判明したと、国立天文台と岐阜大などが発表したという。

銀河の中心がブラックホールかもしれないという話は随分以前から聞いたことがあるが、ブラックホール同士が衝突するという話は聞いたことがない。しかし、考えてみれば、ブラックホールを、単なる超高密度質量体と考えれば、ブラックホールの衝突も自然である。

実は、連星のように互いを廻るブラックホールというのが知られており、この場合、電波望遠鏡での観察によると、2つのブラックホールの質量を合わせると太陽の20億倍あり、それでいて、双方の距離は0.02光年しかないという。これは、宇宙距離では、すぐ隣である。よって、500年後にぶつかると算定された。

今までにもブラックホールの連星は発見されたことはあるが、推定される衝突までの時間は70億年とあまりに迂遠であった。

さて、ブラックホール同士が衝突したらどうなるか。国立天文台の井口聖准教授は、ブラックホール同士がぶつかって巨大ブラックホールができることを示唆しているというが、はて、ブラックホールの衝突方程式というのを一般相対性理論の範囲で考えることができるのだろうか。

一般相対性理論の一番有名な解は、シュバルツシルトの解で、それに回転解のカーの解が続き、さらには、富松・佐藤解がある。

ブラックホールの衝突方程式というのは、単に時空の解だけでなく、熱の散逸などが絡み、とても複雑になることが予想される。当然に場の量子論も入ってくる。

ところが、ブラックホールの衝突方程式を考えようとすると、「ブラックホール戦争」レオナルド・サスキンド著、日経BP社にあるような、ブラックホールに含まれる情報がどうなるのか、というサスキンドとホーキングの論争を沸騰させる。ホーキングは、ブラックホールに落ちた情報は失われると主張した。一方、サスキンドとトフーフトは、情報は、光子や他の粒子に入って外に出ると主張した。

一方で、ブラックホールはない?というケース・ウェスタン・リザーブ大学の論文もある。

さらにはまだ読んでいないが、「重力の再発見―アインシュタインの相対論を超えて」、ジョン・W・モファット、早川書房にあるような、修正重力理論もある。

もちろんループ量子理論も黙っていないし、ロジャー・ペンローズのツイスター理論もある。どっこいと、死んだふりのスーパーストリング理論というかM理論も立ち上がる、本命はやはり俺だと。

そうそう、宇宙ホログラム説もあった。

このように重力理論というのは、百花繚乱というか、未開の荒野なのだが、しかし、場を論じるだけで、無骨なブラックホールの衝突系を扱うためのダイナミックスを提供しない。それでもブラックホールは衝突する、そこから新たなブラックホールが生じると、電波天文学者は呟くだろう。こうして、理論宇宙物理学者に重い宿題が課されるのであった。

反物質閉じ込め

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日経新聞Webによると、国際研究チームが、反物質の閉じ込めに成功したという。以下も引用:

理化学研究所などが参加する8カ国の国際研究チームは、通常の物質と反対の性質を持つ「反物質」を装置の中に閉じ込めることに世界で初めて成功した。反物質と通常の物質の違いがわかれば物理学の基礎を検証でき、宇宙の謎の解明につながる。成果は18日、英科学誌ネイチャー(電子版)に掲載される。

閉じ込めに成功したのは、水素原子と反対の性質を持つ「反水素原子」。反水素原子はマイナスの性質を持つ「反陽子」と、プラスの性質を持つ「陽電子」からできている。

研究チームはスイス・ジュネーブにある欧州合同原子核研究機関(CERN)の装置を使って反陽子と陽電子を作り、混ぜ合わせて反水素原子を合成。内部に強い磁力を加えられる瓶のような装置を開発し、反水素原子だけを閉じ込めた。

この結果、合計38個の反水素原子が約0.2秒間装置にとどまったという。過去の実験では、反水素原子は合成から約1マイクロ(マイクロは100万分の1)秒後には壁にぶつかって消滅してしまい、閉じ込められなかった。

私の乏しい知識では、反物質というは、真空のゆらぎなどで一瞬あらわめては泡沫のように消えていくもので、実体として扱うものではなかった。ちなみに、初めて反物質としての陽電子が、アンダーソンによって発見されたのは、ディラックの予言直後の1932年のことであった。

また、この宇宙が反物質でなく、物質で満ちているというのは、場の量子論の標準理論の範囲で、CP対称性の破れとして説明される。さらに、CP対称性の破れが起こるためには、クォークは3世代以上なくてはならない、というのが、2008年にノーベル物理学賞を受賞した小林・益川理論なのであった。

以上のことが分かると、とりあえず人々は、反物質に興味を失い、ヒッグス粒子やダークマターに興味が移るのではないか、というのが私の勝手な思い込みであるが、どっこい、依然として反物質に熱い視線を送る人達がいたというのは、新鮮な驚きである。

実はこのあたり、将棋の新戦法と事情は似ている。すなわち、ある戦法が流行して、知らない間に別の戦法に流行が移行するのだが、それは決して、旧戦法が極めつくされて結論が出たわけではない。あらゆる妙手が発見され尽くされたわけではない。

それと同じ意味で、極め尽くされたと思われている、非相対論的量子力学にも、ERPパラドックス、ベル方程式のような課題が存在するし、もしかして、非相対論的量子力学の特殊相対論的発展版であるディラック方程式にも、未知の局面が残っているかもしれない。

それだけではない。「反物質と通常の物質の違いがわかれば物理学の基礎を検証でき、宇宙の謎の解明につながる。」というステートメントにも改めて注目してみよう。私は、反物質は、例えば電荷が逆なだけで、質量などについて、物質と同じ化学的性質をもつものと理解していた。それはいまでも常識かと思っていたら、これは一体、反物質は、物質とは、化学的にも違うかもしれないと言おうとしているのだろうか。

さらにまた、反物質工学という分野も生じてくる。すなわち、反物質を閉じ込めるには、おそらく、5億度もの超高温プラズマを閉じ込めるトカマク炉よりもはるかに微妙な制御が必要なのだろう。とはいえ、反物質の閉じ込めには、当然に、プラズマ工学のノウハウが活かされているに違いない。

それにしても、反陽子をどうやって効率的に生成するのだろう、そこからどうやって反水素が生成されるのだろう、まさか将来、反物質DNAができたりしないだろうね、と疑問のシャワーは尽きないのであった。

宇宙ホログラム説

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WIREDVISIONのページによると、宇宙のホログラフィック原理という壮大な仮説を検証するため、る米フェルミ国立加速器研究所で、100万ドルを投じた実験が行なわれようとしているという。

われわれの存在は、超高解像度の3D映像のようなものであり、有限の帯域幅で「コーディング」することが可能なのかもしれない。そして、われわれの愛するおなじみの3次元は、2次元での情報をホログラムのように投影したものにすぎないのかもしれない。

この仮説[「宇宙のホログラフィック原理」]を検証するべく、100万ドルを投じた実験が行なわれようとしている。米国イリノイ州にある米フェルミ国立加速器研究所で実験設備が建設中であり、来年中に、世界最高精度の「時計」を2台用いた実験が行なわれる予定だ。

フェルミ研究所の素粒子宇宙物理学者Craig Hogan氏は、世界で最も高精度な時計2台を用いて、プランク単位の存在を確認するという画期的アイディアを実行に移そうとしているのだ。

空間、時間、質量など、宇宙の諸特性の最小の大きさを表わすものをプランク単位と呼ぶ。これらの単位は非常に小さいため、実験によって確認することは不可能なように見える。たとえば、長さのプランク単位[プランク長]は、陽子の直径の10の19乗分の1しかない。

私の拙い知識では、場の量子論に、長さのプランク単位はあらわれるが、時間や質量のプランク単位は、あらわれてこない。すると、宇宙ホログラム説というのは、場の量子論の標準理論や、その発展版である超弦理論とはまた、パラダイムの全く異なる理論のだろうか、という疑問が湧く。

ホロメーターの着想にヒントを与えたのは、重力波の検出装置である『GEO600』が検出したノイズだ。[重力波は、一般相対性理論において予言される波動であり、時空の曲率(ゆがみ)の時間変動が波動として光速で伝播する現象。ブラックホールなど巨大質量をもつ天体が、光速に近い速度で運動するときに強く発生すると考えられているが、現段階では直接的には検出されていない]

GEO600は、フェルミ研究所で建設中のホロメーターと同じレーザー干渉計だが、アーム長はホロメーターの15倍(600メートル)に及び、重力波を検出できるよう、より低い周波数の検出を行なっている。ここで検出されたノイズが、ホログラフィック原理を証明するものである可能性があると、Hogan氏は考えている。

宇宙の「ホログラフィック原理」は、ブラックホールの境界[事象の地平面]において生じると考えられている奇妙な現象に由来する理論であり、われわれの経験する宇宙は、2次元的な情報を、3次元に投影したものではないかとする説だ。ちょうどクレジットカードに印刷されたホログラムが3次元の映像として見えるように、3次元世界は投影されているが、われわれには2次元の面は知覚できない、とHogan氏は述べる。

超素粒子サイズのプランク単位などといいつ、忽然と、マクロな重力波が表れてくるのが、なんとも意外である。いや、それよりも意外なのは、スピリチュアルの理論と見まがう宇宙ホログラム説を、物理学者が実験により検証しようとしていることである。とはいえ、場の量子論の標準理論、超弦理論、超対称性、M理論、そして宇宙ホログラム説の関係がさっぱり理解できないので、とりあえず、投影された宇宙―ホログラフィック・ユニヴァースへの招待、マイケル タルボット著, 川瀬 勝訳あたりを読んでみることにしよう。

ランダウ

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ふと、書棚の奥にあった本を取り出して読み始めた。「ランダウの生涯」マイヤ・ヘザラブ著、金光不二夫訳、東京図書である。この本はいつ買ったのか、さっぱり憶えていない。大学時代だったのかもしれない。なにしろ、大学時代、天才物理学者ランダウは私の英雄だった。ランダウみたいに一日15時間勉強しようとして、心神耗弱になった。しかし、この本は、社会人になってから、どこかの古本屋で買ったような気もする。何にしても、この本は、実家に帰ったついでに持ってきたものである。そこで以下、私なりの要約を書いてみる。書いてみて、あれほど憧れといいつつあまりランダウのことが分かっていなかったことに気付いた。

ランダウは、1908年、ロシア、バクー市で生まれた。子供の頃から、神童というべきか、大層変わった子供だった。なにしろ、4歳のとき、遊びといえば、地面にひたすら数字を書き連ねることだった。四則演算を延々とやっているのである。

そんなランダウは、外に遊びに行くのが極端に嫌いだった。ただ計算していたいのである。小学校に行くようになっても、数学は天才だが、音楽も国語の大嫌いだった。

しかし、12歳で微分をマスター、13歳で積分をマスターした。特に積分はお気に入りで、後年、自分のゼミに入ってくる学生の試験によく積分を課した。

そんな天才だから、14歳で地元のバクー大学に入学したとしても驚きではない。専攻はそして、物理学である。天才は努力するというが、この頃から、猛勉強していた。なにしろ。一日に15~18時間も勉強するのである。数学への偏りと猛然たる勉強という意味で、ニコラ・テスラに似ている。

姉の勧めで、物理学のメッカ、レニングラード大学に移ったランダウは、猛勉強に拍車をかけ、18歳にして、量子力学の2原子スペクトルの論文を書いた。当時の最先端のテーマである。既に、アインシュタインの一般相対性理論と、シュレーディンガーの方程式に馴染み、いたく感心していたところだった。そして19歳にして、フォン・ノイマンと独立に、量子力学の制動輻射の密度行列の理論をうちたてた。若くして、世界に冠たる物理学の大家の趣があった。

そんな顕著な業績があるので、21歳にして、ヨーロッパ留学が許された。そして、アインシュタイン、ボルン、ハイゼンベルク、ボーア、ディラック、パウリという当時の一流の物理学者と議論し、親交を深めた。

そして1927年、留学先で反磁性の理論を発表した。こういう物性物理への興味は生涯続く。1931年にロシアに戻ると、レニングラード物理工学研究所に就職したが、所長と喧嘩して、ハリコフ大学の理論物理学の講座を受け持つことになった。

1933年には、物性物理の路線を続けて、低温における磁化率、反強磁性、第2種相転移、超伝導、光電現象との立て続けに論文を発表した。

1934年には、教育コースとしてのTheoretical minimumを構想した。すなわち、講座を志望してくる学生に、理論物理学者になるための理論的な最小のスキルとしての試験を課した。これは、ランダウにとってはほんの基礎的なものにすぎなかったが、大抵の学生にはとても厳しいもので、とびきりの学生でないと合格できなかった。このTheoretical minimumは、後年学生となるリフシッツとの共著で、物理学課程のコースとして本になり、世界でもっとも優れた物理学の教科書として人気を博した。私も大学生の時代、理解もできないのに、つい買ったものである。

その後、カピッツァの物理問題研究所に移り、1937年に、相転移の理論を発展させた。さらには、原子核の統計理論を構築した。原子核理論に統計理論を持ち込んだのは、おそらく、ランダウをもって嚆矢とする。

1938年には、宇宙線中の電子シャワーの理論を発表した。また、ヘリウムの超流動の理論も発表した。この多産さと分野の多様さは、ほとんど類例がない。流石の南部陽一郎も、万能性ではランダウにひけをとる。ちなみに、ヘリウムの超流動の理論は、1967年のノーベル賞となる。

ところがどうしたことか、ランダウはこの年、ドイツのスパイ容疑で逮捕され投獄されてしまう。カピッツァの支援で、なんとか1年後出所できたが、精神的に落ち込んだ。

研究に戻ったランダウは、1943~1947にかけて、連続体力学、乱流、ナビエ・ストークスの方程式という一連の流体力学における成果をあげた。

その間、1945年には爆発の理論、1946年にはプラズマ振動、熱核反応とさらに分野は広がる。

1950年には、南部陽一郎でも述べたランダウ・ギンツブルグの超伝導の理論に想到した。

またこの頃、当時次第に盛んになってきた場の量子論に興味が移行していった。そして1957年に、パリティ保存則に関する論文を発表した。ときに49歳。しかし、流石に、このころ、論文の生産性に翳りがみえる。それでも、名誉はいや増すばかりで、オランダ、イギリスのアカデミー会員に選ばれた。

ところが1962年1月、悲劇がランダウを見舞う。車に乗車中、その車がぶつかるというひどい交通事故で、瀕死の重傷を負ったのであった。何度も危篤に陥り、同年の4月に、なんとか口がきけるまでに回復した。なお、上記ドイツのスパイ容疑事件と相俟って、ランダウ謀殺説もあるにはあるが、流石にちょっと無理があるかもしれない。

こうしてランダウはなんとか健康を取り戻したが、もはや独創的な研究をする日は戻ってこなかった。そして1968年の3月24日、60歳の生涯を終えた。

まさに、最後の万能理論物理学者であった。

ノーベル物理学賞

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毎日新聞Webによると、今年のノーベル物理学賞が、炭素の新素材「グラフェン」を開発したイギリス在住の研究者に与えられるそうである。以下、引用:

スウェーデンの王立科学アカデミーは5日、10年のノーベル物理学賞を、炭素の新素材「グラフェン」を開発した英マンチェスター大のアンドレ・ガイム教授(51)=オランダ国籍=とコンスタンチン・ノボセロフ教授(36)=英、ロシア国籍=に授与すると発表した。授賞式は12月10日にストックホルムで開かれ、賞金1000万スウェーデン・クローナ(約1億2700万円)を両氏が分け合う。【須田桃子、西川拓】

グラフェンは炭素が六角形につながったシート状の新素材で、厚みが原子1個分しかない。現在知られている素材の中で最も薄くて強く、銅と同程度の電気伝導性があり、熱伝導性も最も高い。

ガイム氏らは04年、炭素の蜂の巣構造が何層も重なり、鉛筆の芯の材料として使われている「グラファイト」(黒鉛)に粘着テープを張ってははがす作業を繰り返して薄片をはがし、原子1個の厚みの層(グラフェン)を分離することに成功した。

この記事をみて私は、すぐさま、カーボンナノチューブの飯島澄男氏のことを思い出した。どうみても彼の分野で、飯島氏が先駆ではないか。

果たして、飯島氏の下記のような談話がある。

「同じような分野なので大変残念。一緒に受賞ならいいなと思っていたが、置いていかれちゃった。理論的にリードしてきた安藤恒也・東工大教授が共同受賞でないのも合点がいかない」

多分だけども、もう飯島氏にノーベル賞は巡ってこないであろう。それも人生さ。

この痛さは、ノーベル化学賞で言及した宮浦憲夫氏よりはるかに大きい。なにしろ飯島氏は、ナノチューブの先駆者なのである。

実際、Webで調べると、宮浦憲夫氏は、もともと鈴木氏の助手で、共同研究していたようである。北海道大学大学院工学研究科 宮浦憲夫・特任教授の語る「鈴木章名誉教授について」という内容のインタビューがWebキャストされているくらいなので、結構素直に師匠を讃えているのだろうか。

放射線

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何度も書いたように、大学の専攻は一応物理学なので、物理実験の授業が必修だった。そこで、ガイガー・カウンタで放射線を測定する、という実験もあった。プラスチックの容器にモールドされた放射性物質(コバルト60やストロンチウム90などだったような気がする)をガイガー・カウンタに近づけると、カリカリと音がするのが面白かった。こうすると子供ができなくなるぜ、とその放射性物質の容器を下腹部に近づける真似をしたりしていたが、今考えると大変危険で、自分ながらその馬鹿さに呆れてしまう。

ともかく、そういう経験をしていると、少なくとも、文系の人よりは放射性物質とは何か少しは分っていると自負していたが、最近、「核兵器のしくみ」山田克哉著、講談社現代新書を読んでみて、実は放射線や放射性物質のことが何にも分かっていないことに気付き、改めて自己用にメモしてみることにする。

先ず、アルファ線で、これは、陽子2個と中性子2個からなる。放射線としては、とても粒度が大きい。陽子2個と中性子2個とはヘリウム原子そのものである。アルファ線を放射するのは、典型的にはウラン238である。天然のウランは、99.3%がウラン238で、0.7%がウラン235。原子爆弾として利用されるのは、わずかしか含まれないウラン235の方で、そこで原爆製造の苦労がある(簡単にできない方がいいかも)。そして、メジャーなウラン238が放出するのがアルファ線で、92個の陽子と146個の中性子を抱えるウラン238の原子は、自分が重くて仕方がない。なんとかエネルギーを放出して身軽になりたい。そこで、アルファ崩壊によって92個の陽子と146個の中性子をもつトリウム234になる。このウラン238の放出による半減期がすさまじく長く、なんと45億年である。すると、アルファ粒子のエネルギの大きさに鑑みると、1個の原子がアルファ粒子する確率は、ベータ崩壊などと比べると、あまり大きくないのだろう。アルファ線の特徴は、大型の荷電粒子であるため、とても物質との反応性が強いことである。例えば、紙一枚でも遮蔽されてしまう。なかなか遠達しない。反応性の強さは毒性の強さでもある。すなわち、もし人間が吸い込むと、アルファ粒子は肺で止まって胚の細胞と反応し、高い確率で肺癌を引き起こす。

次はベータ線である。アルファ崩壊のメカニズムというのは、おそらく、原子核物理学の精華であるはずなのだが、面倒なのか、素人向けに説明されることがない。ところが、ベータ線を放出するベータ崩壊は、ワインバーグ・サラムの電弱理論で説明される。すなわち、中性子が崩壊して、陽子と電子と反ニュートリノになる。なんで反ニュートリノなのかさっぱり理解できないが、ともかく、その電子がベータ線の正体である。別の観点からいうと、原子は、中性子が多すぎると不安定感を感じる。だから、中性子をベータ崩壊させて陽子にしたがる、と擬人的に言うこともできる。ベータ線は、アルファ線ほどのエネルギをもたないので、アルファ線ほどの危害を人体に及ぼさない。それでも、人体の細胞を構成する原子の電子を跳ね飛ばしてイオン化させ、癌化させる。

次はガンマ線である。ガンマ線と大層に言っても、結局は、光と同じ電磁波にすぎない。すなわち、原子のある軌道にある電子が低い準位に落ちるときに出す電磁波で、レーザーが光を出す原理と基本的には同じである(のだろう)。とはいえ、普通の光との違いは、その高いエネルギである。すなわち、電磁波は波長が短いほどエネルギが高い。ガンマ線も、原子を構成する電子を跳ね飛ばす作用をもつ。それは染色体異常をひきおこす。

アルファ・ベータ・ガンマは、団子三兄弟ならぬ放射線三兄弟なのであるが、これ以外に、中性子線というのもある。すなわち、中性子を過剰にもつことで不安定な原子はともかくも中性子を減らしたいのであるが、なにかの手段で洗脳または教化して、中性子を陽子に変換するのがベータ崩壊なのであった。ところが、ペルソナ・ノン・グラータを国外追放するように、原子は中性子を放出してもよいわけで、そうして出てくるのが、中性子線である。中性子の放出メカニズムも、原子核物理学では説明については解決済みであるに違いないのであるが、複雑なのか、素人を飽きさせないで説明できないのか、ここでは説明されない。中性子線も当然に人体に有害であって、まず高速の中性子線は、細胞を構成する原子に含まれる陽子を跳ね飛ばしてイオン化させる。低速の中性子線によって、細胞を構成する原子に中性子が取り込まれる。すると、原子で中性子が過剰になるので、原子はベータ崩壊を引き起こす。これもまた、癌や白血病の原因となる。

すると、以前書いた、生物はなぜ放射線に弱いのかの議論に戻る。核兵器によってもたらされる高温、高圧は、ある意味通常の爆弾と変わるところがない。ところが、核兵器から出される放射線による人体への影響は誠に隠微であって、すべては、細胞が発癌性を内蔵するところに、細胞の放射線に対するvulnerabilityがある、ということになる。もし人類が、というよりも生物が発癌性をもたなければ、広島の原爆によって亡くなる人の数は数分の一だろう。初期の熱放射で火傷し、あるいは爆風の物理的被害で亡くなるだけである。

しかし、と思索は続くのであるが、発癌性は、細胞の分裂と成長に本質的であり、そもそも発癌性のない生物は生きているとはいえないと言ってよいのではないだろうか。

戻って、放射線とは、アルファ・ベータ・ガンマと中性子線だけなのかというと当然に否である。素粒子の流れという意味ではニュートリノ線があり、それは日々人体を貫通しているが、多分何も人体との相互作用はない。それでは人体と相互作用するものとして、陽子線、中間子線というのも当然にありえるが、それは粒子加速器などで人工的に作らないと、自然には存在しないということである。もっと言うと、ニュートリノ線が人体に影響を及ぼさないというのは単に効果を人類が知らないだけかもしれず、その他、ダークマター線なども考えられるが、段々思考が発散しベータ崩壊してきたのでここらあたりで止めておく。

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