サワラちゃん
新・サワラちゃんの
叔父さん、叔母さんの
宇宙・素粒子 物理学入門
宇宙・素粒子 物理学入門
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NASAで発表された太陽の８倍程度の主系列星・恒星がガスを拡散して、白色矮星に 移行していく過程にある天体写真です。我が太陽もこれと同じ運命になるとのこと。キャッツアイのように美しい輝きですね。ピンクは水素ガス、青は酸素ガスでしょうか？
「量子コンピューター」について
＜波の性質とトンネル効果-02＞
先回は光と電子の異同について書きました。量子力学特有のややこしい性質が出てきましたので、理解しにくかった事と思います。また、導体の中を電気が流れる時には、電気は光の速さに近いのですが、電子は非常に遅い速度になるという不思議な現象。電子は始め粒子だとされたにもかかわらず、途中で粒子と波の二重性を持つという説明にも驚かされたと思います。
ニュートン古典物理の知識では、チョッと理解できない独特な理論が量子物理には出てきます。
宇宙が誕生した瞬間の物理は、まさに量子物理の世界です。宇宙が瞬間的にインフレーションという現象で、宇宙創成の10のマイナス44乗秒後に始まって、10のマイナス34乗秒後に終了し、この間に10のプラス34乗倍に膨張した・・・・・想像出来ますでしょうか。 まさに想像を絶する事です。1秒よりも遥かに短い瞬間の時間の間にですよ。
10＾34＝10Ｘ1000、000、000、000、000、000、000、000、000、000、000倍・・・・・・・単位を付けれますか？・・・・
少々単位系が違いますが、光速度は
300、000、000、000ｍｍ/ｓ＝10ｘ10、000、000、000Ｘ3ｍｍ
如何にに途方も無い光速を遥かに超える速度で膨張したことが分りますね。本当にこれが天文学的数字というものです。
ところがこんな位で驚いてはいけません。奇想天外な幽霊みたいな運動を電子はし出すのです。 壁を透明人間宜しくすり抜けて、壁の向こう側に出て行くのです。壁を乗り越えないでですよ。我々の住んでいる世界（マクロの世界）では、決して見られない現象です。
原子に強い電界をかけると、電子は原子核の強い束縛エネルギーの壁をトンネルして離脱することもできます。サッカーボールが壁をトンネルしてしまうことは現実には起こりませんが、ミクロの世界ではそのようなことが可能になるのです・・・・・・・・・・・トンネル効果
それではもう少し詳しく説明してみましょう。
1-光量子仮説・・・アインシュタインの光量子仮説によって、光は波でもあり粒子でもあることがわかりました。
2-電子・・・・・・・・・・ド・ブロイ（仏）・電子は波であることを提唱しました。シュレーディンガー（オーストリア）は電子は波と粒子の性質を持つことをシュレーディンガー方程式で証明。
[方程式より導き出される電子の波の状態とは、電子が波動性を持っているということで、原子核の周回軌道を取る電子の波は、確率的に原子の周りを雲や霧のように存在し、観測して初めて電子は粒子になる。正確な位置は確率的にしか言い表せない]
＜何ですって？＞って言いたい位
ここで波動性と粒子性を持つ電子が粒子性を現実に表して来ます。
（＾～＾）
3-不確定性原理 （これが難物）・・・・マクロの世界では位置と速度は同時に観測できます。ミクロの世界（原子核レベルの世界）では、電子の位置と速度は同時に観測できない。
観測しようと電子に光子（光）を当てると位置は分るが、電子と光子が相互作用して、電子の運動状態が変化し、速度が確定できません。 それではと、光子のエネルギーを弱めると速度は分るが、電子の位置が不確定になります。つまり、観測という行為が自然状態に影響を与えるからです。電子と光子の質量差がほとんど無いからなのです。
＜あちらを立てれば、こちらが立たず、こちらを立てれば、あちらが立たず＞
何か落語の世界のような話。
4- 波の収縮
コペンハーゲン解釈・・・・実際に雲状、霧状の電子雲に光を当てて人間が電子を観測すると、観測した瞬間に波の収縮が起こり、電子は一個の粒子として観測される。電子は雲のどこかに存在するのであるが、人間が光子を当てて観測した瞬間、電子雲が１点に収縮し粒子として観測される。
文部科学省の提供
＜確率的に存在する＞という数学的な用語・・・・
物質を量子のレベルで把握する場合、そこには細かな粒子状の存在物とそれらを隔てる空間とがある訳ではないとされる。単一の量子は空間内に広がりを持って確率的に分布しており、特定の一点に存在する訳ではない。観測行為が起こると、そこで初めて、特定の位置が確定される。
ある方はこのように説明する
すべての物理現象は、確率的に記述することしかできないのだ。
アインシュタインの言うように、その背後に真の原因があるのかもしれないが、
それは知りえないのだから、少なくとも、人間にとっては「確率的な世界観」が真の姿なのだ。
アインシュタインの言うように、その背後に真の原因があるのかもしれないが、
それは知りえないのだから、少なくとも、人間にとっては「確率的な世界観」が真の姿なのだ。
二ールス・ボーアとアインシュタインが論争をし、＜原因があって結果がある！ 神様はサイコロ遊びをしない！」とアインシュタインは言った。
もうそろそろ、イライラして来るでしょうから、本日はこの辺で。
次回はいよいよ＜トンネル効果＞＜スーパーポジション＞について
ビッグバン＆インフレーション
量子論は何だか鼻を抓まれたような、嘘みたいな世界のように見えますが、実はこれがマトモナ世界で、我々の日常性の世界が、錯覚・錯誤の世界かもしれません。例えば林檎を見ますと、虫食い穴がない物であれば、通常林檎を透かして見ることは出来ません。にも拘らず＜ニュートリノ＞という有名な素粒子は地球を素通りして反対側にすり抜けることが出来ます。
もし、物体にスカスカの穴が空いていたら、穴より小さな物でしたら、向こう側へすり抜けられますが・・・・・ということは地球や眼に見える物質はスカスカの穴だらけというという事になります。・・・・・・上の説明の＜原子モデル＞はそのように考えてよろしいですね。詳しい話はず～と後になりますが、後で考えて見ましょう。
先回は最初期宇宙の＜プランク時代＞について書いてみました。しかし、宇宙誕生の瞬間は曖昧模糊として、何やら分からないというのが本当でしょう。そこで、少し先に進む前に東京大学の佐藤 勝彦教授に登場していただいて、宇宙創生を解明する「インフレーション理論」について、再度語って貰います。
質問1・・インフレーションが起きるもとの宇宙というのは、何なのですか
佐藤教授・・・理解しづらいと思いますが、実は最初の宇宙は無から生れたと考えられています。
質問2・・無は、物質も何もない状態−−どうしてそこから何かが生れてくるのでしょう。
佐藤教授・・・常識的には無というと何もない状態ですが、物理学的には「ゆらぎ」のある状態のことをいいます。詳しくいうと、物理的に可能な限りエネルギーを抜いた状態のことをいいます。実はエネルギーを抜くだけ抜ききっても、振動、いわゆる「ゆらぎ」が残るのです。この「ゆらぎ」は、素粒子の生成と消滅が繰り返されることにより起きていて、物理的には消すことができません。いい換えれば、無と有の間をゆらいでいる状態ということです。その状態から「トンネル効果」で、突然パッと宇宙が生れたと考えられています。これはビレンケンという学者が唱えた説で、無からの創成論は未だ完成しておらず、これからの研究が期待される分野です。
質問3・・その「最初の宇宙」から火の玉になるまでの急膨張が、インフレーションなのですね。
佐藤教授・・・この生れたての宇宙は、真空のエネルギーを持っており、このエネルギーは急膨張する性質があります。急激に宇宙が大きくなるということは、それだけ密度が低くなり、温度が急冷することになります。その時、水が氷点以下になっても一時的に凍らず、水のまま持ちこたえる現象、いわゆる過冷却と同じ状態に陥ります。その間、膨大なエネルギーが潜熱として蓄えられます。水でしたら凍る時にその潜熱が吐き出されるわけですが、インフレーションでは真空の相転移によって莫大な熱エネルギーが解放され、ごくわずかだった宇宙（1/10＾34ｃｍ）が直径1cm以上もの火の玉宇宙になったのです。
東京大より提供
潜熱 ： 物質が液化したり凍結したりする時に、その物質の状態の変化により解放される熱エネルギー。
相転移 ： 固体、液体、気体のように物質の質的に異なった状態を相（固体相あるいは固相）といい、物質状態の移り変りを相転移という。
インフレーションの膨張を国立天文台はウイルスが一瞬にして、銀河団以上の大きさに成るほどの想像を絶するものと例えています。このインフレーションとともに時間が流れ、空間が広がり始めました。
大統一時代
最初期宇宙のプランク時代から、宇宙の膨張と冷却が始まり、重力相互作用と残りの基本相互作用（強い・弱い力、電磁）が分離する。
この時代の物理法則は大統一理論で記述され、電弱相互作用と強い相互作用に分離することで終了する。
磁気単極子（モノポール）がこの時代に生成される。
* 磁気単極子・・・単独で存在するＮ極あるいはＳ極の性質を持った粒子。
この後に最前から説明が度々有った「インフレーション期」が到来します。
次回はいよいよ＜インフレーション期＞です。
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