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匸P コーヒーブレイク
宇宙137億年の歴史
佐藤勝彦 最終講義
佐藤勝彦著 角川選書 2010.3.10
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世界には４つの力が存在している。フェルミオンという物質を作る粒子に、
ボソンという力を伝える粒子が相互作用をしており、それが力の源なのだという。
４つの力の内でニュートンが発見した万有引力・重力だけは日常的に実感して
いる。宇宙で50日以上生活した宇宙飛行士は、地球に帰還しても、すぐには行動
できないほど筋力が衰える。私たちは無意識ながら重力と対抗して生きている。
ところがこの重力を伝えるグラビトン粒子は、現在も未発見で分からない。
星雲の間で重力が働いていることは確かなのだが、それがいつから始まり、
どのように相互作用をしている力なのか、いまだに全く分っていないのだ。
この他にも大きな謎として、質量の起源・ヒッグス粒子(未発見)が考えられて
いる。これもさっぱり分からない。宇宙理論の最先端は未知なことばかりだ。
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４つの力とは、次のものをいう。
(１）強い力・・・核を構成する陽子、中性子を原子核内に閉じ込めておく力で、
力の及ぶ範囲は10の-43乗cm。働く粒子と働かない粒子がある。
量子色力学で6つのクォークが結びついて陽子になったり、中性子になったり
する仕組みが解明されている。
グルーオンという粒子が相互作用をしている。
(２）電磁気力・・・電気を帯びた粒子に働く力で、強さは距離の2乗に反比例する。
フォトン（光子）が相互作用をしている。
(３）弱い力・・・元素の崩壊を引きおこす力。中性子が電子とニュートリノを放出
して陽子に変わる。力の及ぶ範囲は10の-15乗cm。
W粒子、Z粒子などのウィーク・ボソン粒子が相互作用をしている。
(４）重力・・・天体と天体が引き合う力で、きわめて弱いが距離の2乗に反比例し、
理論的には無限遠方にまで及ぶ。一般質量を持った物体同士の間に働く。
グラビトン（未発見）という粒子が相互作用をしている。
ワインバーグ・サラムの理論(1967）は「電磁気力」と「弱い力」の大統一理論
で、彼らが予言した中性流相互作用が1983年にCERNの実験で確かめられている。
現代の宇宙論が描いている宇宙の始原「標準モデル」はこのようになる。
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時間と空間の区別もない世界で、超ミクロな"時空"が生れては消えていくという
ことを繰り返していた。ところが、今からおよそ137億年の昔、その時空のうちの
ひとつがプランク時間（10の-43乗秒）の間に、量子論的効果（トンネル効果）で
宇宙としてポロリと生まれ出た。その時の宇宙は、10の-34乗cm程度の典型的な
大きさがあり、今のところ知られているどんな素粒子よりも小さかった。宇宙は
誕生するとすぐ、1秒にも満たないとてつもなく短い一瞬、インフレーションと
いう想像を絶する猛烈な膨脹をはじめ、その終わりに熱エネルギーが解放されて、
ビッグバンという超高温・超高密度の"火の玉宇宙"となった。
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泡立ったような粒子の海で、対生成、対消滅を繰り返す粒子達が山の左斜面に
あって、頂上を越えられないで泡立ち続けている。
この山の左斜面を真空と呼ぶ。得体の知れないエネルギーの固まりだ。
ある日、たった10の-43乗秒なのだが、山を突き抜けるトンネル効果に
よって山の右斜面に飛び出た粒が、私たちの宇宙の赤ちゃんだった。
山や左斜面の真空状態、泡立つ海のことは、どんなに想像しても分からないが、
とにかくどんな理由か分からないが、ボロリと私たちの宇宙の元が山の右側に
トンネルを抜けて出てきたというのだ。
これがいきなり坂を転げ落ちるようにものすごい速度とエネルギーで膨脹し
ビッグバンの元になったという訳だ。
次に今日なじみの深い「標準モデル」ビッグバン宇宙モデルはこのように説く。
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私たちの住む宇宙は、今からさかのぼること137億年の昔、熱い火の玉として
生れた。光など素粒子のガスとして生れた初期の宇宙は、膨脹するにつれて冷却
していった。ガスは次第に固まって原始星が生まれ、そのうち核融合で輝き始めた
星が集まって銀河が成長し、銀河団や超銀河団、グレートウォールなど、実に
豊かな構造を持った今日の宇宙へと進化した。
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私は2003年2月11日、NASAによる宇宙年齢に関する記事を読んだが、137億年より
前の時間が存在しないという説明に衝撃を感じたことを良く覚えている。
温度に絶対0度Kより低い温度がないように、無限に高温で高密度な空間は存在
しない。そのため時間も137億年前に始まりそれより以前は無いのだという奇妙な
考えにとても混乱した。
ビッグバン宇宙論が真実である限りそうなる。
WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）というマイクロ波観測衛星が
もたらした情報で、宇宙の全天マップ画像が鮮明に作られていた。
それまで宇宙の始まりビッグバンは、何億年前の出来事であったのか、あまり
はっきりしていなかった。140億年〜150億年くらい前という程度だった。
この時の発表は、地球から160万キロメートル離れたポイントでじっと同じ位置
関係を保っているWMAP（衛星）から送られてくるデーター解析によるものだった。
WMAPは2001年6月30日に打ち上げられているから、観測期間はおよそ１年強に
過ぎない。全天に広がるマイクロ波分布から宇宙は限りなく平坦であることも
突き止められた。
宇宙の温度は絶対温度2.73度で、これより高温の部分は赤く、低温の部分は青く、
中間の温度は黄色く見える。そんな全天の温度のゆらぎ分布地図だった。
温度のゆらぎは100万分の数度にしかすぎないそうだ。
良く見ると満遍なく銀河があるのではなく、ところどころに空洞（ボイト）が
ある。逆に濃い縁取りのように銀河が集中した壁（グレートウォール）もある。
これらは4億年の彼方にあって、同じようなハニカム構造をしたものが、さらに
奥の方に4億年周期で存在し、少なくともそんなハニカム構造が20層はあるという。
宇宙の一角を深く観測するペンシルビーム・サーベイ観測によって、こんな
ことが分かって来た。奥行き20億光年ぐらいまでの距離にある銀河を徹底調査
する、スローン・ディジタル・スカイ・サーベイ計画も現在進んでいる。
なぜ宇宙は、カフェ・オレのように、ミルクとコーヒーの区別がつかないほど
良くかきまぜられた状態になっていないのだろうか。
その答えは、筆者が若い頃に発表された宇宙創世記のインフレーション理論*で
説明できる。（*インフレーション理論という命名はA.グースによる）
小さな種の状態で仕込まれた銀河の元やブラックホールの元が、点のような
真空エネルギーから急激な膨脹によって、相似形を保ったまま拡張した。
それでこのような重層ハニカム構造を保てたという訳だ。
陽子、中性子、電子などの物質を総称してバリオンと呼ぶが、このバリオンが
宇宙全体にしめる量はたった4%しかない。
じゃあ、残る96%は一体どうなっているんだろう？と思い巡らせている状態が、
要するに宇宙に関する知見の最先端だ。
はっきり分かっていることはここまででしかない。
この先の領域を観測できる手段もデーターも私たちはまだ手にしていない。
ハワイにある、すばる望遠鏡は、およそ宇宙の始原から10億年までのエリアを
観測できる能力を持っている。つまり127億光年先の星雲団までなら観測可能だ。
可視光線より長い波を使えば、それより遠くを観測できる。
WMAPのようなマイクロ波背景放射観測で可能なエリアは宇宙始原から38万年
までに広がる。
このあたりで宇宙は「晴れ上がり」ようやく光がまっすぐ進める宇宙になったと
いうのだが、それまでの宇宙では光同士がぶつかりあいっこしていて外に出て
行けず、ずっと曇りの雲みたいな状態の宇宙だったらしい。
光が外に出られない「宇宙の晴れ上がり」前を観測するとなるとマイクロ波
でも及ばない。
ニュートリノは、この世界を観測する手だてとして注目されている。
ニュートリノは宇宙始原から0.2秒までのエリアをカバーできる優れ物だ。
スーパーカミオカンデはこのような宇宙領域を観測するための望遠鏡なのだ。
更にその先まで気にする人は少ないだろうが、宇宙始原からインフレーションが
起きた10の-43乗秒までのエリアを知る手だてとしては重力波があるらしい。
宇宙の始原について説明する理屈は、これまでにいくつも作られている。
最近の説明では残る96%のうち、23%は正体不明のダークマター、73%はダーク
エネルギーで満たされているという。
アインシュタインが生涯で最大の不覚であったという宇宙項に類似した考えが、
今の宇宙学者によって、ほぼ支持されているという訳だ。
ビッグバン宇宙論にしろ、インフレーション理論にしろ、見てきたようなウソ
かもしれない。宇宙誕生から100万分の1秒の頃、温度5兆度Kの世界で素粒子が
出来たといわれ、そのあと1万分の1秒の頃、温度1兆度Kの世界で陽子や中性子や
電子などが誕生したと説明されても、簡単に合点がいくわけがない。
因みに3分後、10億度Kで軽い原子核、38万年後、3000度Kで原子が生れる。
こんな混沌を解きあかしてくれる切り札のひとつがニュートリノ観測だ。
小柴さんたちが幸運にも超新星1987Aから飛んできたニュートリノを観測した
カミオカンデ、後継のスーパーカミオカンデに期待が寄せられている。
この本で認識を改めたが、カミオカンデは陽子崩壊の観測もしているそうだ。
陽子崩壊を観測できれば宇宙誕生時のデーターが得られると期待されている。
だが1983年から今日まで、カミオカンデで陽子崩壊は１例も観測できなかった。
26年以上観測して1例も見つからないことから、陽子の寿命は、2.6×10の34乗
年以上と導き出されている。陽子は想像を越える長寿命であったのだ。
1974年に発表された大統一理論（GUT）が予測する数学的な対象性、SU(5）
モデルで計算して得られた陽子の寿命の近似値はおよそ10の29乗〜30乗だそうだ。
カミオカンデの観測結果はその1万から10万倍も長い。
筆者の提唱した元祖インフレーションモデルは、この観測結果で排除されると
述べられている。それを最終講義で素直に認める筆者の科学者魂に感動した。
いずれにしても、宇宙観は50年ぶりくらいの大変革期にさしかかっている。
宇宙の寿命137億年と比べると、陽子の寿命は全く桁違いに長い。
火の玉宇宙状態から、38万年たった頃、宇宙が晴れ上がり、陽子や中性子が
核を作ったという後半のお話は良しとしても、前半のインフレーションで陽子が
生れたというお話は、陽子の寿命と比べてものすごくバランスが悪い。
普通に考えると陽子は、もっとずっと前からどこかにあってしかるべきだ。
近年、超ひも理論という説もでている。素粒子に反粒子があるというのだ。
フェルミオン（物質を作る素粒子）の仲間、フォトンにはフォティーノが、
ボソン（力を媒介する素粒子）の仲間、電子にはスカラー電子があって、素粒子と
反粒子が超対象性をなしているという説だ。
この通りだと既知の素粒子は倍に増えることになるが、反粒子は未発見だ。
理論が正しければ次元を異にする宇宙は10の200乗個も存在しうるらしい。
最近では、プレーン構造をした宇宙モデルも提唱されている。
私たちの宇宙は、10次元や11次元の高次元空間の中にある3次元の膜のような
ものではないかという。２つの三次元宇宙、プレーン宇宙と反プレーン宇宙という
ものがあって定期的に衝突を繰り返している。２枚の衝突する瞬間がビッグバン
で、その時出来た皺が宇宙のゆらぎになったというものだ。
これらが今日までの標準的な宇宙創生に関する知見であった。
この本にはまだ言及されていないが、2008年3月、WMAPによる5年間のデータで
全天マップ最新版が公開され新たなフェーズが始まっている。
それによると宇宙の晴れ上がり38万年の頃、宇宙はニュートリノ10%、原子12%、
光子15%、ダークマター63%であったという。
そして4億年の頃に最初の星が誕生していることも、かなりはっきり分かった。
現在のインフレーションモデルなどの諸説には、制約条件が付き、新しく整理
された理論が生れようとしている前夜のようだ。
最新情報でも陽子、中性子などの物質（バリオン）は全宇宙の4.6%しかない。
（第一世代）（第二世代）（第三世代）
クォーク 電荷+2/3 アップ チャーム トップ
クォーク 電荷-1/3 ダウン ストレンジ ボトム
レプトン ニュートリノ 電子ν ミューν タウν
レプトン 荷電レプトン 電子 ミューオン タウオン
電荷+2/3×2個と電荷-1/3×1個の計3個のクォークで電荷+1の陽子が作られる。
電荷+2/3×1個と電荷-1/3×2個の計3個のクォークで電荷0の中性子が作られる。
電荷0のニュートリノは物質を突き抜け、荷電-1の電子は核を回っている。
これらに力を伝える粒子、ゲージ・ボソン（光子、ウィークボソン、グルーオン、
グラビトン）や、未知のヒッグス粒子が関わっている。
残る95.4%は未知のダークエネルギー、ダークマターと呼ばれるものだ。
はたしてダークエネルギー72.1%、ダークマター23.3%の尻尾を捕らえることは
出来るのだろうか？
ダークエネルギーには２つの非常に大きな謎がある。ひとつは宇宙の加速膨脹
斥力として真空エネルギーを想定し、量子重力理論で計算してみると、この値が
べらぼうに小さいことだ。スモールネス・プロブレムという。
プランク・エネルギー密度というあるべき値より120桁も小さい。
こんな小さなエネルギーでは宇宙は加速膨脹できない。
２つめは偶然一致性、コインシデンス・プロブレムというものだ。
観察者である知的生物、人類が登場する前を選んだように、その生存環境を
巧妙に作り上げ、時間を見計らったように、偶然この宇宙は137億年前に加速
膨脹を始めたのだろうかという謎だ。
ダークマターに関してはスイス・ジュネーブ郊外に建設中のLHC（Large Hadron
Colider 大型ハドロン衝突型加速器：地下100m、一周27kmの巨大リング）がある。
真空の中に陽子を飛ばしリングを何周も回る内にどんどん加速して行き、光速の
99.9999991%まで到達させる。そして陽子同士を衝突させ、未知の素粒子が放出
されるところを観測し 次の３つの謎にいどむ。
(1)素粒子は本来、質量ゼロのはずだが、どうして重さが生れたのか？
(2)ダークマターの正体を突き止める。素粒子の数は倍増するか？
(3)宇宙は4次元で、重力だけが4次元空間に逃げ出せるのか？
こんな新しい観測装置により、私たちはまた新たな知見を得ようとしている。
現在は、そんな節目に差しかかった時期にあるようだ。
2009年3月6日、佐藤勝彦さんは東大小柴ホールで退官記念講演をされた。
その折りに使用された懇切丁寧な解説が挿入附加され、図とともに読みやすい本だ。
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宇宙で知り得た領域はたった4.6%。ダークマター等全体の95.4%は未知のままだ。
