世界のつくり／天体編・１４

１４・αプロセス、って

さて、水素→ヘリウムという核融合活動によって、熱と輝きを発しはじめたファーストスターだ。
天体中心部の超高密度の環境で、水素原子核はガンガンとぶつかり合い、どかんどかんと景気よく爆発し、天体にヘリウム原子核の芯をつくっていく。
が、いつか燃料は尽きるものだ。
いや、素材となる水素はふんだんにあるんだけど、密度が芯部に集中するほど、天体外縁部は希薄になり、中心への圧力が失われていくんだ。
現代の太陽サイズの天体だと、数十億年もたつ頃には燃料の枯渇がはじまり、ぼんやりとほどけて巨大化をはじめ、図体だけがやたらとでかいぼんぼりのような姿になってしまう。
芯部の高密度なヘリウム塊は独立して残されるものの、周囲が散り散りになって、天体の生涯はおしまいだ。
これがもっと大きな質量の天体・・・例えば太陽の８倍というチャンドラセカール限界を超えるほどのものになると、様相が違ってくる。
ヘリウムの芯ができたところで、さらに外からの圧力が掛かり、水素に代わってヘリウム原子核が核融合をはじめるんだ。
こうして炭素、酸素、ネオン、マグネシウム・・・と、要するに元素の周期表のいっこ飛ばしに（ヘリウムの陽子数が２なので）反応が進んでいく。※１
前に注釈で、ヘリウムは特別にアルファ粒子という名前を与えられてる、と書いたけど、アルファ先生が関わるこれらの核融合反応を「アルファ（α）プロセス」という。
そうしてついに、元素たちの最終目標である鉄を生成する核融合がはじまる。
天体の活動がここに至るまで、わずか数千万年。
天体は、質量が大きいほど、短命なんだ。
そして、その命の終わりは壮絶だ。
それが、最期に打ち上げる花火とも言うべき、超新星爆発だ。

つづく

※１　炭素だけは、ヘリウム原子核三個がトリプル合体して生成される。ヘリウムからいっこ飛ばしのベリリウムは不安定で、ヘリウムふたつがぶつかって生成された瞬後に崩壊するが、崩壊寸前にもうひとつのヘリウムがぶつかることで×３＝原子番号６の炭素が生成される。

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世界のつくり／天体編・１３

１３・核分裂と核融合、って

各元素の原子核には、陽子と中性子が何個かずつ入るわけだけど、その個数は、常に安定を目指していちばん居心地のいい割り合いを求める。
放射性の崩壊（半減期ってやつ）で、ほっといても勝手に別の元素に姿を変えちゃうメカニズムもあるけど、熱や圧力でストレスを加えてやることで、元素の生成はコントロールできる。※１
水素原子核（陽子１個）同士をぶっつけ合わせて少し大きめのヘリウムをつくったり、ヘリウム原子核（陽子２個）同士をぶっつけ合わせて炭素や酸素をつくったりと、小→大をつくるのが核融合だ。
こうして雪だるま式に融合を進めると、元素の中で最も安定した鉄（陽子２６個）に行き着く。
それ以上の陽子を持つ元素は、超新星爆発などのとてつもないエネルギーイベントが必要となるが、それはまた後述する。
さて、鉄よりも大きな原子番号を持つ（陽子が多い）元素は、逆に核分裂をして陽子を減らそうとする。
いちばんシンプルな原子力発電（原子爆弾も）は、ウランを分裂させて、その際に生じる熱エネルギーを頂戴しようというもの。
ウランの原子核には、陽子が９２個と中性子が１４０個ばかり入ってて、このままならそこそこ安定してんだけど、こいつに中性子いっこを撃ち込んで不安定な状況をつくり出し、分裂させる。
核爆発をともなう分裂の結果、また中性子いっこが余るわけだが、こいつがまたお隣のウラン原子核に働きかけ、分裂をうながし、そこから出た中性子いっこがまたまたお隣に・・・と際限なく連鎖していく核反応が、臨界状態だ。
ちなみに、核分裂は放射能の放出でひどい汚染をともなうが、核融合は汚染物質を出さない。
なので、未来のエネルギー源として期待される核融合発電は、クリーンな技術と言っていい。
一方で、核融合爆弾である水素爆弾（スイバク）は、それを包むゲンバクの爆発力からストレスを与えられて起爆するため、結局は放射能をまき散らすことになる。
もちろん、こんなものは使っちゃダメだ。

つづく

※１　とは言え、実際にはコントロールしきれてない。オリンピックを自国で開きたいばかりに「福島のデブリはアンダー・コントロール」なんてうそをついたバカがいるけど、どうかしてるよなあ。デブリはほぼ永遠に熱を発しつづけるため、一度しでかしたら、人類がつきっきりになって数万年規模で面倒を見てやるほかはない。

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世界のつくり／天体編・１２

１２・世界で最初の星、って

水素原子核ふたつが、エネルギー障壁を越えて接触し、核融合を起こして、ひとつにまとまった。
これがよく耳にする「太陽は、水素同士の核融合でヘリウムをつくり、そのエネルギーで熱く燃えさかる」というメカニズムだが、正確には少し違う。
水素原子核、すなわち陽子ふたつが核融合でひとつになると、片方の陽子はベータ崩壊を起こして中性子※１となり、残った陽子とくっついて「重水素」原子核になるのだ。
元素は、陽子の数のみで名称を決定され、陽子がひとつなら、中性子を原子核内に何個含んでいようと「水素」と名乗る。
そして中性子は、原子核内にわりとテキトーな個数が含まれる。
多くの陽子を原子核内に同居させる（つまり原子量が大きな）元素がこれ以降に現れるが、陽子たちが＋電荷同士でケンカしないように、電荷のない中性子は緩衝材としてすき間に詰め込まれるんだ。
そして、そんな原子核ユニットの周囲を電子がめぐると、晴れて原子となるわけだ。
電子の数はというと、これまた原子核内の陽子の数のみによって決定される。
こうすることで、原子核内の＋電荷と、周回する電子の－電荷が相殺されて中性を保ち、安定した形を取ることができる。
話はそれたが、陽子と中性子が１対１で同居する重水素原子核ができたんだった。
さらに、重水素原子核が、別の陽子・・・つまり水素原子核にぶつかって核融合を起こす。
ここで晴れて「ヘリウム３」に昇格することができる。
が、ヘリウムは陽子ふたつと中性子ふたつの「ヘリウム４」になって安定なので、もう一度核融合を進めたい。
ここでなんとヘリウム３は、同じヘリウム３とぶつかり合い、陽子２・中性子２の構成ユニットをつくりつつ、メンバーのセレクションから外れたふたつの陽子を吐き出して、ようやくヘリウム４の姿になる。※２
なんとめんどくさい手順だろう。
しかし、こうして次から次へと核融合が起き、巨大ガス塊は圧力による収縮と釣り合いを取るように中心部からエネルギーを発し、つまり内側からふくらむ力を発揮しはじめ、天体全体が輝いて、ファーストスター、つまり宇宙最初期の太陽が出来上がる。

つづく

※１　陽子⇄中性子が姿を変えるベータ崩壊には、電荷の問題から電子やニュートリノ、さらにそれらの反物質が関わってくるが、ここでは割愛する。
※２　ヘリウム４はとても重要な原子で、核融合、核分裂、放射性崩壊など、あらゆる状況で立ち現れる大忙しさんなので、特別に「アルファ粒子」という別名を与えられてる。

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世界のつくり／天体編・１１

１１・核融合、って

水素分子がおびただしく集まった巨大なガス塊は、今やぼんやりとひとつの天体を形づくるほどの規模だ。
その奥深くにある中心部の一点は、刻一刻と密度を増す。
ガス塊全体の質量が集中してのしかかり※１、圧力と温度がとてつもないまでに高まってる。
そんな環境で、電離してむき身にされた陽子・・・いや、ここではあえて「水素原子核」と呼ぶけど、それらは激せまのエリアを強振して飛び交い、今にも衝突し合いそうだ。
しかし、電子を手放した水素原子核たちは、本来の＋電荷を帯びてるせいで、お互いにクーロン斥力によって接触を回避し、すんでのところですれ違う。
ところが、ここでまた量子の持つ波動関数、すなわち確率の問題が浮上する。
電磁気力の壁に跳ね返されるふたつの水素原子核だけど、そのエネルギー障壁を乗り越えるトンネル効果・・・つまり、ふたつが触れ合えないはずの位置にも存在確率を持ってるために、果てしない回数をすれ違ううちに、たまに触れ合うものが出てきてしまう。
たっち！
ついにふたつの水素原子核が触れ合うと、今度は例のグルーオン、つまり超近距離にしか効力を発揮しないがとてつもなく強い引力が、相手のクォークを引き寄せ、絡め取る。
重力＜電磁気力＜グルーオンの引力、なんだ。
するとどうだろう、触れ合ったふたつの水素原子核は、ころりとひとつにまとまってしまったではないか。
同時に・・・
どかーん！
これこそが、すさまじい爆発をともなう核融合だ。
読んで字のごとく、原子核同士が融け合い、新しい原子核をつくったわけだ。
こうして、陽子ひとつの水素（原子番号１）から、陽子ふたつのヘリウム（原子番号２）に変身！
・・・かと思いきや、ややこしい話がまだある。

つづく

※１　重力とは、質量が物質中心部へ加速するベクトルを言うのだから、その芯は、物質本体を構成するすべての質量をかついでるに等しい。

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世界のつくり／天体編・１０

１０・天体の形成、って

万有引力は、グラビトンという量子場が物質（この場合は水素分子）に働きかける相互作用によって生じる。
この別名「重力」って現象の根本構造は現在もまだ未解明なんだけど、一般相対性理論が記述するところによれば、それは「質量を持つものの周囲に発生するゆがんだ時空間に落ち込む加速度」みたいなことになってる。
水素分子たちは、小さいながらも素粒子に比べれば大層な質量を持ってるわけで、グラビトン場に小さなデコボコ、すなわち時空間のゆがみをつくる。
そのへこみへの落ち込みを拒んでた電磁気力の問題も、陽子と電子が同数のチームをつくることでクリアとなり、中性の水素分子たちはどんどんと大きなへこみに集まっていく。
水素分子が集団を大きくすればするほど、グラビトン場のへこみは深い谷となっていき、そこへ落ち込ませようという加速度（重力）は強大なものとなり、さらに多くの水素分子を引き寄せ、束ねていく。
こうして、集団形成は倍々ゲームで加速し、影響は広域化し、分子の固まりは巨大化かつ高密度化し、やがて熱を帯びるようになる。
物質とは、思い返せば量子の振動そのものなんで、振幅できる領域が狭まれば狭まるほど強く振動し、それはすなわち熱くなるということなんである。
今や水素分子の集団は、星雲と名乗れるほどの規模のガス塊にまで成長を果たした。
その押し合いへし合いの深層部の密度、そして温度ときたら、尋常ならざるものとなってる。
なにしろその芯には、天体一個分もの重量が集中してかかってるんだから。
そんな水素分子の大集団の奥深くで、例のプラズマ状態が発生しはじめる。
これはまるで、あの高温・高圧状態だったビッグバン直後の環境へと時間が巻き戻されたかのようだ。
せっかく原子という形で物質になった水素だけど、あっちっちになって再び電離・・・つまり水素原子から電子が剥がされていく。
水素原子核・・・つまり陽子は、以前にそうだったように、単体のむき身にされた。
密度はますます高まり、陽子たちは集団の中心の牢獄のように小さなエリアでお互いに強烈に振動し、あっちっちでむぎゅむぎゅの超緊密な裸祭をはじめた。

つづく

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世界のつくり／天体編・９

９・原子から分子に、って

物質をつくるには、＋電荷の陽子だけじゃ絶対ムリだった。
だって、陽子同士お互いに結びつこうったって、近づけば近づくだけはじき合ってしまうんだから。
触れ合うなんて、ほぼムリ！※１
結局、陽子たちは宇宙空間中にくまなく展開しながら、隣近所のご同類と反目し合い、それぞれに断固として孤立を貫きつづけるしかなかった。
ところがなんという幸運か、陽子は−電荷の電子を自分の引力圏に引き込むことに成功したんだ。※２
これならふたりでプラマイゼロ・・・セットで中性のテイを取ることができる。
引力も斥力（はじく力）も完全に相殺され、今やあらゆるくびきから解放されたフリーランス状態だ。
こうなると、これまでクーロン斥力の影響の裏で存在感の薄かった万有引力、すなわち「質量を持つもの同士は引き合う」法則が効力を発揮しはじめる。
陽子いっこと電子いっこが結び合った水素原子は、お隣の同じく水素原子を引き寄せ、同時に引き寄せられ、距離の逆二乗則に従って、近づけば近づくほど引き合うわけだ。
ちょん・・・
ふたつの水素原子は、ついに触れ合う。
触れ合った途端に、こっちの電子はあっちの陽子の引力圏に捕らえられ、こっちの陽子はあっちの電子を引力圏に捕らえ、一体化する。
ぺたーん！
なんという精妙な引力の絡み合い。
陽子ふたつと電子ふたつが、あっちの子とこっちの子とで両手をつなぎ合う、平和極まるダブルデート状態だ。
ふたつの水素原子は、チームとしてひとつになった。
すなわち、「水素分子」の誕生だ。

つづく

※１　実はムリでもない。核融合という手がある。
※２　陽子が電子の波動の中に抱え込まれた、と見ることもできる。質量比で１８００対１という体格差がある陽子と電子だけど、力関係においては「＋１」と「－１」とでまったく対等だ。

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世界のつくり／天体編・８

８・原子の姿、って

逆電荷が引きつけ合い、同電荷がはじき合うという、電気による磁石のような効果を、クーロン力という。
陽子（＋）と電子（－）はクーロン力でお互いに引き寄せられ、くっつき合う・・・かと思いきや、まんま磁石のようにはくっつかない。
電子は、ほぼ光速というとんでもないスピードで飛びつづける定めなので、陽子の引力圏に取り込まれながら、角運動量による遠心力で、陽子の・・・つまり水素原子核の周囲をぐるぐると回る軌道に安住の地を見出す。
元素周期表の筆頭、輝かしい背番号１をつける水素原子の出来上がり！というわけだ。
こんな様式で、原子核の外側を（惑星をめぐる衛星のように）周回するのが、原子の古典的なモデルだ。
ところが、例によって量子的な実相はそうじゃない。
量子物理学の説明によれば、電子は原子核の周囲を「回る」ことはしない。
確率的な軌道上のあちこちいたるところに分身したかのように同時にいるし、どの位置にも姿はないとも言える。
つまり、運動量があるためにそこに存在してるとは言えるんだけど、肝心の実体はどこにもなく、いる場所を特定しようとすると運動量が無限大となってパンクしてしまう。
素粒子とは、不確定性原理と波動関数という純粋数学上の存在なんだ。
無、なんであり、そこには計算式があるばかりなんだ。
が、確かに電子は実在する。
エネルギーという形式で質量が割り出せるので、そのへんにはいる、とするしかない。
そこで仕方なく、最近の原子モデルでは、電子は原子核を取り巻く雲として視覚化される。
この雲の形は、波動方程式の解を座標化して集合させたものなんで、「電子がいると思われる場所」を確率的に表すには正確なんだけど、言ったようにそこに電子はいるともいないとも言えないわけで、まあこの先は哲学の領分に入るんである。
とにかく、そんな形の水素原子ができたんだった。

つづく

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世界のつくり／天体編・７

７・物質の誕生、って

ビッグバンによって、特異点から素粒子とともにとんでもない熱が放出され、膨張をつづける宇宙空間に拡散していく。
超高温下では、電子は激しく震えてプラズマ状態※１をつくり出し、要するに電子レンジの中のような大暴れをして光の直進を妨げる。
「光」とは、光子という素粒子が収縮して位置を取ったやつの航跡の、ぼくら観測者サイドの脳内における見え方だ。
が、この頃の光は少し様相が違ったようだ。
ビッグバン直後の煮えたぎった光のスープは、この航跡が電子とこんがらかった状態なんだ。
それを観測者は、「光がつくりだす曇り空」という矛盾したデッサンしかできない。
こんがらかりすぎて、光の波を検出することができないから、曇り空というわけだ。※２
しかし、スペースが広大になるにつれて光の波長は間延びし、電子は落ち着き、温度は下がり、プラズマ状態がそろそろ解消されつつある３８万年後、という頃合い。
ついに光は電子から放免され、直進を開始し、すっきりと晴れ上がった宇宙空間をつくりだす。
これをわれわれ観測者は、そのまま「宇宙の晴れ上がり」事件と呼ぶ。
光がもつれ合いから解放されたということは、すなわち、電子側も自由を獲得したことを意味する。
ぼくら人類は、このイベントに興奮すべきだろう。
なぜなら、宇宙空間に、陽子と電子が出会う舞台が整ったのだから。
こうして、＋１電荷を持つ陽子は、－１電荷という奇跡の相性を持つ電子と、運命的に結ばれるに至った。
この世界で最初の物質となる「水素」が誕生した瞬間だ！

つづく

※１　逆かな。プラズマ状態が電子を振動させて陽子から剥ぎ取る（電離）、という順序の方が自然かも。
※２　１３８億光年先にある１３８億年前の光景を見たいがために、人類は遠くまで見える望遠鏡をつくる努力を重ねるが、ビッグバン直後の光、すなわち最初期の宇宙の姿は、素粒子たち（場）がごちゃごちゃに入り組んでることから、カオスとしてしか見ることができない。そこで、光子の波とは別ものである重力の波、すなわち「重力波」を捉えてその頃の様子をのぞき見ようとしてるのが、最新の宇宙物理工学なんである。ビッグバンの特異点は、以降に宇宙中の物質を構築する全質量の塊なので、とてつもない重力を持っており、検出するにはおあつらえ向きなのだ。

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世界のつくり／天体編・６

６・宇宙の大構造、って

ぼくらの物質世界は、ぼくらの観測によって成立してる。
思慮深き量子力学が描く（ぼくらの世界の裏に隠れた）実相の世界は「無」みたいなものであり、マボロシのような「場」の交差であり、その綾たる相互作用をぼくが「観測」することによってぼくの脳内に世界が立ち上がる・・・という層構造になってるんだった。
とにかくこの世界は、ぼくらが「見る」ことによってはじめて、物質としての形を獲得するのだ、とそろそろ納得しようではないか。
というわけで、できたての宇宙空間に展開する、おびただしい陽子群だ。
（観測上の現象として）膨張をつづける宇宙空間に、碁盤の目のような区画を引いてみる。
そのひとつひとつのエリアに、ひとつひとつの陽子がきれいに並んでる。
インフレーションによって発生した最初期世界は、無限に小さく、無限の圧力に満たされていたため、素粒子は超絶正確な隊伍に整列（エントロピー最小状態）させられた。
万有引力による全方向がんじがらめの上に、陽子の持つ＋電荷がお互いを斥力で遠ざけようとするため、この方陣は永遠に乱れることがない・・・はずだ。
ところが、その裏側に控える量子場では、素粒子たちが波間に浮かぶうたかたのようにかつ消えかつ結びて久しくとどまりたるためしなし。※１
引かれた方眼のバックヤードで起こってるのは、不確定な出現確率であり、コヒーレントなもつれと重ね合わせであり、要するに素粒子たちの気まぐれによって、わずかながらも激しい揺らぎが発生するんである。
こうして、万有引力と電荷の斥力の均衡を破って不安定になった隊伍は、たぶんファンデルワース力※２なんかによって密度の偏りを増幅させ、あっちで固まりをつくり、こっちでスカスカの部分をつくり、やがて大きなチーム同志に分かれ、対抗戦のような宇宙の大構造をつくっていく。
さあ、そこでついに現れるのが、電子だ！
うわはー、世界が形づくられていく予感がしてこないか？

つづく

※１　「方丈記・鴨長明」は、動的平衡の古典表現。
※２　電荷が偏ると、その偏りを修正しようとするカウンターの電荷の振る舞いが発生するせいで、余計に電荷が偏ってく感じのやつ。

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