創世記

 宇宙の始まりはどうなっていただろうか...?旧約聖書の創世記をひもとくと次のような記述がある。

 第1章 1:1はじめに神は天と地とを創造された。 1:2地は形なく、むなしく、やみが淵のおもてにあり、神の霊が水のおもてをおおっていた。 1:3神は「光あれ」と言われた。すると光があった。 1:4神はその光を見て、良しとされた。神はその光とやみとを分けられた。 1:5神は光を昼と名づけ、やみを夜と名づけられた。夕となり、また朝となった。第一日である。



 1:6神はまた言われた、「水の間におおぞらがあって、水と水とを分けよ」。 1:7そのようになった。神はおおぞらを造って、おおぞらの下の水とおおぞらの上の水とを分けられた。 1:8神はそのおおぞらを天と名づけられた。夕となり、また朝となった。第二日である。

 1:9神はまた言われた、「天の下の水は一つ所に集まり、かわいた地が現れよ」。そのようになった。 1:10神はそのかわいた地を陸と名づけ、水の集まった所を海と名づけられた。神は見て、良しとされた。 1:11神はまた言われた、「地は青草と、種をもつ草と、種類にしたがって種のある実を結ぶ果樹とを地の上にはえさせよ」。そのようになった。 1:12地は青草と、種類にしたがって種をもつ草と、種類にしたがって種のある実を結ぶ木とをはえさせた。神は見て、良しとされた。 1:13夕となり、また朝となった。第三日である。

 1:14神はまた言われた、「天のおおぞらに光があって昼と夜とを分け、しるしのため、季節のため、日のため、年のためになり、 1:15天のおおぞらにあって地を照らす光となれ」。そのようになった。 1:16神は二つの大きな光を造り、大きい光に昼をつかさどらせ、小さい光に夜をつかさどらせ、また星を造られた。 1:17神はこれらを天のおおぞらに置いて地を照らさせ、 1:18昼と夜とをつかさどらせ、光とやみとを分けさせられた。神は見て、良しとされた。 1:19夕となり、また朝となった。第四日である。

 1:20神はまた言われた、「水は生き物の群れで満ち、鳥は地の上、天のおおぞらを飛べ」。 1:21神は海の大いなる獣と、水に群がるすべての動く生き物とを、種類にしたがって創造し、また翼のあるすべての鳥を、種類にしたがって創造された。神は見て、良しとされた。 1:22神はこれらを祝福して言われた、「生めよ、ふえよ、海の水に満ちよ、また鳥は地にふえよ」。 1:23夕となり、また朝となった。第五日である。

 1:24神はまた言われた、「地は生き物を種類にしたがっていだせ。家畜と、這うものと、地の獣とを種類にしたがっていだせ」。そのようになった。 1:25神は地の獣を種類にしたがい、家畜を種類にしたがい、また地に這うすべての物を種類にしたがって造られた。神は見て、良しとされた。

 1:26神はまた言われた、「われわれのかたちに、われわれにかたどって人を造り、これに海の魚と、空の鳥と、家畜と、地のすべての獣と、地のすべての這うものとを治めさせよう」。 1:27神は自分のかたちに人を創造された。すなわち、神のかたちに創造し、男と女とに創造された。 1:28神は彼らを祝福して言われた、「生めよ、ふえよ、地に満ちよ、地を従わせよ。また海の魚と、空の鳥と、地に動くすべての生き物とを治めよ」。

 1:29神はまた言われた、「わたしは全地のおもてにある種をもつすべての草と、種のある実を結ぶすべての木とをあなたがたに与える。これはあなたがたの食物となるであろう。 1:30また地のすべての獣、空のすべての鳥、地を這うすべてのもの、すなわち命あるものには、食物としてすべての青草を与える」。そのようになった。

 1:31神が造ったすべての物を見られたところ、それは、はなはだ良かった。夕となり、また朝となった。第六日である...。

 何かを象徴するような言葉が続く「聖書」は現実離れしているようだが、スケールの大きな世界を表しているところが興味深いと思う。そして、それが正しい宗教であり、正しい宗教は、スケールが大きく、世界のあらゆる現象を説明し、人々を正しい方向へ導こうとする...。

 聖書では神が初めに「光あれ」といってから、海や空や大地、動物やヒトなど、様々な物質ができたことになっている。これを物理学の世界では「光の物質化」という。

 今回、英国インペリアル・カレッジ・ロンドン(ICL)などの研究チームは、光が相互作用して物質化する「ブライト-ホイーラー過程」と呼ばれる現象を実証するための実験を開始すると発表した。


光を物質化する実験開始

 ブライト-ホイーラー過程は、1934年に物理学者グレゴリー・ブライトとジョン・ホイーラーによって予想された物理現象であり、2個の光子が高エネルギーで衝突することによって物質粒子である電子と陽電子が1個ずつ生成される。

 光子の衝突エネルギーを極めて高くする必要があるために、これまでは、ブライト-ホイーラー過程を実験的に確かめることは不可能であると考えられてきた。しかし、2014年になってから、核融合の研究で使われている高出力レーザーを利用することによって既存の技術でも実験を実現できるというアイデアが提案された。今回の研究は、このアイデアにもとづいて実際の実験装置を組み上げて、ブライト-ホイーラー過程の実証を目指して行われたもの。

 2014年に提案された実験方法では、まず第1段階として、超高強度のレーザーを用いて、電子を光速近くまで加速する。すると、この電子を金平板に衝突させることによって可視光の10億倍という高エネルギーの光子ビームを生成する。

 第2段階では、金の微小空洞の内部表面に高エネルギーのレーザーを照射して、熱放射場を発生させる。この熱放射場からは恒星が光を発するのと同じように光が放射される。

 次に、第1段階の高エネルギー光子ビームを、第2段階の金空洞の中心部に向けて打ち込む。すると2つの光源からの光子同士が衝突するが、このときの衝突エネルギーはブライト-ホイーラー過程によって電子と陽電子が生成されるために必要なエネルギーレベルに達すると考えられている。実験では、このとき生成される電子と陽電子の検出を行う。


 「ブライト-ホイーラー過程」を核融合レーザーで再現 

 今回実際に使用される実験装置では、2本の高出力レーザービームを使って光子同士を衝突させる。一方のレーザーの出力は可視光の約10億倍、もう一方は可視光の約1000倍のエネルギーとする。このビームをチャンバ内の2個のターゲットに集束させる。チャンバは、レーザービームを集束するための複雑な光学系と、荷電粒子を逸らすための磁石を備えている。

 ブライト-ホイーラー過程が起これば、チャンバから陽電子が出てくるはずなのでそれを検出する。陽電子が実際に検出された場合には、それが他のバックグラウンド由来のものでなく本当にブライト-ホイーラー過程によるものだったかどうか、データを慎重に分析していくことになる。

 アインシュタインの一般相対性理論によれば、質量mの物質をすべてエネルギーに変換するとE=mc2という方程式にしたがって莫大なエネルギーが得られる(cは光速)。この式を等式変形するとm=E/c2となるので、エネルギーEからはE/c2という質量をもった物質が得られることになる。これがブライト-ホイーラー過程で生成される電子と陽電子の質量に相当すると考えられる。

 研究リーダーのStuart Mangles博士は「この実証に成功した場合、宇宙誕生後の最初の100秒間で起こったプロセス、また宇宙物理学上の大きな謎であるガンマ線バーストなどを再現したことになる」とコメントしている。


 光子は力を媒介とするゲージ粒子

 光の粒子「光子」。光の実体を「粒」とする粒子説と「波」とする波動説の論争は、干渉実験などで波動説が優位に立ったが、1905年、A.アインシュタインは、光を受けた物質が電子を出す光電効果を、光を1粒、2粒と数える光量子の考え方で説明した。量子力学は「光は粒子であり、波である」とみる。1粒のエネルギーは、振動数ν(ニュー)の光でhν(hはプランク定数)。質量はゼロ。スピンは1。

 光子はまた、力を媒介する基本粒子(ゲージ粒子)としての性質がある。例えば物質に力を加えると物質内の電子が移動する。それが元に戻ろうとするときに光子を生じる。核分裂反応や核融合反応では、粒子と粒子がぶつかり合い、新しい元素が多量に生じる。この時、電子の位置が激しく遷移するので光子も多量に発生する。これが太陽エネルギーの源である。

 素粒子は、大きく2つのタイプに分けられる。物質を構成する「フェルミオン(フェルミ粒子)」と、物質同士の間に働く力を伝える「ボソン(ボーズ粒子)」である。後者を「ゲージ粒子」ともいう。物理学では、力が伝わるのは「何か」がその力を媒介していると考える。それが「ゲージ粒子」である。

 この宇宙には物理学的に4つの力が働いていると考えらている。まず「重力」、そして「電磁力」である。これらは日常生活で目にすることができる。電磁力というのは電気力と磁気力を合わせて呼んだもので、この2つの作用は90度の位相を持って現れる1つの力とみなされる。

 つぎに「弱い力」と「強い力」でこれは原子核のレベルで働く力である。放射能を持つ原子核がベータ線(電子)を放出して別の種類の原子に変わるのを「ベータ崩壊」という。このベータ崩壊を起こし、原子の種類を変えるのが弱い力である。一方、原子核の中に陽子や中性子を閉じ込める力が強い力である。


 光は質量がないので無限の彼方まで力が働く

 このような基本的力は「電磁相互作用」、「強い相互作用」というように「相互作用」と呼ぶ場合もある。

 力が4つあるのでそれを媒介するゲージ粒子も4つ考えられる。重力を伝えるのを「重力子(グラビトン)」、電磁力を伝えるのが「光子(フォトン)」、弱い力を伝えるのが「ウィークボソン(W粒子)」、そして強い力を媒介するのが「グルーオン(にかわ粒子)」である。

 原子物理学の世界では、いわばキャッチボールをするようにゲージ粒子をやりとりして力を伝える、と考えるのである。そのためゲージ粒子の質量は大きな意味を持つ。質量が大きいと力の到達距離は短くなり、逆に質量がゼロの場合は、無限のかなたまで力が及ぶことになる。

 例えば「弱い相互作用」は、電荷ならぬ「ウィーク荷」を持つ粒子に作用し、ウィークボソンをやり取りしてベータ崩壊を起こす。ウィークボソンは、陽子の50倍以上の質量があるため、その到達距離は極めて小さくなる。

 ところが、光子の不変質量はゼロであり、長距離で基本相互作用することが可能であるため、この力は微視的にも巨視的にも容易に観測することができる。この性質によって「量子テレポーテーション」や「量子もつれ」が起きると考えられている。


参考 マイナビニュース : https://news.mynavi.jp/article/20180402-610233/


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