あなたはここに座って、この記事を読んでいます。ハード コピーか、タブレット コンピューターまたは電子書籍リーダーの電子書籍かもしれません。それは問題ではありません。あなたがそれを読んでいるものは何でも、私たちはそれが何らかの種類のものでできていることを合理的に確信することができます.紙、カード、プラスチック、おそらくプリント回路基板上の小さな金属電子部品を含んでいます.それが何であれ、私たちはそれを物質または物質的実体と呼びます。堅牢性と呼ばれる特性があります。質量があります。
しかし、正確には何が問題なのでしょうか?長さが 1 インチ (または 2.7 センチ) 強の氷の立方体を想像してみてください。この氷の立方体を手のひらに持っていると想像してください。寒くて少し滑りやすいです。重さはほとんどありませんが、何かの重さがあることはわかっています .
質問をもう少し絞り込みましょう。この氷の塊は何でできていますか?そして、重要な 2 つ目の質問:その質量の原因は何ですか?
氷の立方体が何でできているかを理解するには、化学者が得た知識を利用する必要があります。錬金術師によって確立された長い伝統に基づいて、これらの科学者は、水素、炭素、酸素などのさまざまな化学元素を区別しました。ジョン・ダルトンとルイス・ゲイ・リュサックは、これらの元素の相対重量と結合する気体の体積に関する研究により、異なる化学元素は、原子の整数を含む一連の規則に従って結合する異なる重量を持つ原子で構成されるという結論に達しました。 /P>
水素と酸素ガスが結合して水が生成されるという謎は、水素と酸素が両方とも二原子ガス H
これは、最初の質問の一部に答えます。私たちの氷の立方体は、H2 の分子で構成されています O 規則的な配列で構成されています。 2 番目の質問から始めることもできます。アボガドロの法則によると、1 モルの化学物質には約 6 × 10 個の個別の「粒子」が含まれます。ここで、1 モルの物質を、その分子量をグラム単位にスケールアップしたものとして単純に解釈できます。水素 (H2 の形で) ) の相対分子量は 2 であり、これは各水素原子の相対原子量が 1 であることを意味します。 酸素 (O
たまたま、私たちの氷の立方体の重さは約 18 グラムです。これは、多かれ少なかれ水の 1 モルを表していることを意味します。したがって、アボガドロの法則によれば、約 6 × 10 分子の H2 が含まれている必要があります。 O. これは、2 番目の質問に対する決定的な答えを提供するように思われます。氷の立方体の質量は、H2 の 6 × 10 分子に存在する水素原子と酸素原子の質量から導き出されます。 O.
しかし、もちろん、さらに先に進むことができます。 J.J. から学びました。トムソン、アーネスト・ラザフォード、ニールス・ボーア、および 20 世紀初頭の他の多くの物理学者は、すべての原子が、軌道を回る軽い電子に囲まれた重い中心原子核で構成されていることを確認しました。その後、中心原子核は陽子と中性子で構成されていることがわかりました。核内の陽子の数は、元素の化学的同一性を決定します。水素原子には 1 つの陽子があり、酸素原子には 8 つの陽子があります (これは原子番号と呼ばれます)。しかし、核の総質量または重量は、核内の陽子と中性子の総数によって決まります。
水素にはまだ 1 つしかありません (その原子核は 1 つの陽子で構成されており、中性子はありません)。酸素の最も一般的な同位体には、16 (陽子 8 個と中性子 8 個) があります。これらの陽子と中性子の数が、上で引用した相対原子量と同じであることは明らかに偶然ではありません.
軽い電子を無視すると、氷の立方体の質量は、その水素原子と酸素原子の原子核内のすべての陽子と中性子に存在すると主張したくなるでしょう。 H2 の各分子 O は 10 個の陽子と 8 個の中性子に寄与するため、立方体に 6 × 10 個の分子があり、陽子と中性子の間のわずかな質量差を無視すると、立方体には合計でこの数値の約 18 倍、つまり 108 × 10 個の陽子と中性子。
ここまでは順調ですね。しかし、まだすべてが終わったわけではありません。陽子と中性子は素粒子ではないことがわかりました。それらはクォークで構成されています。陽子には 2 つのアップ クォークと 1 つのダウン クォーク、中性子には 2 つのダウン クォークと 1 つのアップ クォークが含まれます。そして、これらのより大きな粒子の内部でクォークを結合する色の力は、質量のないグルオンによって運ばれます。
わかりました、それで確かに私たちは続けます。もう一度、アップ クォークとダウン クォークの質量を同じに近似すると、3 を掛けるだけで、108 × 10 個の陽子と中性子が 324 × 10 個のアップ クォークとダウン クォークになります。 これ すべての質量が存在する場所です。はい?
いいえ、ここで私たちの素朴な原子の先入観が解き明かされます。アップ クォークとダウン クォークの質量は、Particle Data Group の Web サイトで調べることができます。アップクォークとダウンクォークは非常に軽いため、質量を正確に測定することはできず、範囲のみが引用されています。以下はすべて MeV/c の単位で報告されています .これらのユニットでは、アップクォークの質量は 2.3 で、範囲は 1.8 から 3.0 です。ダウン クォークは少し重く、4.8 で、範囲は 4.5 から 5.3 です。これらを、同じ単位で測定された約 0.51 の電子の質量と比較してください。
今ショックが来ます。 MeV/c の同じ単位で 陽子の質量は 938.3、中性子は 939.6 です。 2 つのアップ クォークと 1 つのダウン クォークの組み合わせは、9.4、つまり陽子の質量のわずか 1% しか得られません。 2 つのダウン クォークと 1 つのアップ クォークの組み合わせは、わずか 11.9、つまり中性子の質量のわずか 1.3% しか得られません。陽子と中性子の質量の約 99% は解明されていないようです。何が問題なのですか?
この質問に答えるには、私たちが何を扱っているかを認識する必要があります。クォークは、ギリシャ人や機械哲学者が想像したような自己完結型の「粒子」ではありません。それらは量子波動粒子です。基本的な量子場の基本的な振動またはゆらぎ。アップ クォークとダウン クォークは電子の数倍しか重くなく、数え切れない実験で電子の波動粒子の性質を実証してきました。まったく奇妙な行動ではないにしても、奇妙な行動に備える必要があります。
そして、質量のないグルーオンを忘れないようにしましょう。または特殊相対性理論とE =MC .または、「裸」と「服を着た」質量の違い。そして最後に、すべての素粒子の質量の「起源」におけるヒッグス場の役割を忘れないでください。陽子または中性子の内部で何が起こっているかを理解しようとするためには、クォーク間の色力の量子場理論である量子色力学に到達する必要があります。
クォークとグルーオンは色の「電荷」を持っています。これは正確には何ですか？本当に知る方法はありません。色はクォークとグルオンの性質であり、物理学者が赤、緑、青と呼ぶために選択した 3 つのタイプがあることはわかっています。しかし、孤立したクォークやグルオンを誰も「見た」ことがないように、定義上、多かれ少なかれ誰も裸の色電荷を見たことはありません。実際、量子色力学 (QCD) は、色電荷がこのように露出された場合、ほぼ無限のエネルギーを持つことを示唆しています。アリストテレスの格言は、「自然は真空を嫌う」というものでした。今日、私たちはこう言うかもしれません:「自然は裸のカラーチャージを嫌う」
では、裸の色電荷を持つ孤立したクォークをどうにかして作成できたらどうなるでしょうか?そのエネルギーは、「空の」空間から仮想グルーオンを呼び起こすのに十分な量を超えて、屋根を通り抜けます。自己生成した電磁界の中を移動する電子が仮想光子の覆いを集めるように、露出したクォークは仮想グルオンの覆いを集めます。光子とは異なり、グルオン自体が色電荷を持っており、露出した色電荷を部分的にマスクすることでエネルギーを減らすことができます。このように考えてみてください:裸のクォークは非常に恥ずかしく、すぐにグルオンの覆いで身を包みます.
しかし、これでは十分ではありません。このエネルギーは、仮想粒子 (一種のバックグラウンド ノイズやヒス音など) だけでなく、素粒子も生成するのに十分な高さです。露出した色電荷をカバーするスクランブルでは、反クォークが生成され、ネイキッド クォークとペアになってメソンを形成します。クォークは決してありませんが、決してありません —シャペロンなしで見られます.
しかし、これはまだ しません。色電荷を完全にカバーするには、反クォークをクォークとまったく同じ場所に正確に同時に配置する必要があります。ハイゼンベルグの不確定性原理は、自然がクォークと反クォークをこのように固定することを許しません.正確な位置は無限の運動量を意味し、時間に伴うエネルギーの正確な変化率は無限のエネルギーを意味することを覚えておいてください。自然は妥協するしかありません。色電荷を完全にカバーすることはできませんが、反クォークと仮想グルオンでマスクできます。エネルギーは、少なくとも管理可能なレベルまで削減されます。
このようなことが陽子や中性子の中でも起こっています。ホスト粒子の範囲内で、3 つのクォークは比較的自由に動き回っています。しかし、繰り返しになりますが、それらの色の電荷をカバーするか、少なくとも露出した電荷のエネルギーを減らす必要があります。各クォークは、クォークと反クォークのペアと共に、それらの間を行き来する仮想グルオンのブリザードを生成します。物理学者は、陽子または中性子を構成する 3 つのクォークを「原子価」クォークと呼ぶことがあります。これは、これらの粒子の内部にクォークと反クォークのペアのさらなる海を形成するのに十分なエネルギーがあるためです。これらの粒子内のクォークは原子価クォークだけではありません。
これが意味することは、陽子と中性子の質量はエネルギーに大きく依存しているということです。 グルオンと、色場から呼び起こされるクォークと反クォークのペアの海。
どうすればわかりますか？まあ、QCDを使って計算するのは実際にはかなり難しいことを認めなければなりません。色の力は非常に強いため、対応する色と力の相互作用のエネルギーは非常に高くなります。グルオンも色電荷を持っているので、すべてが他のすべてと相互作用することを忘れないでください。事実上、あらゆることが起こる可能性があり、考えられるすべての仮想および素粒子順列を追跡することは非常に困難です。
これは、QCD の方程式を比較的簡単な方法で書き留めることはできますが、紙の上で分析的に解くことはできないことを意味します。また、相互作用のエネルギーが非常に高く、くりこみの手法を適用できないため、QED で非常にうまく使用されている数学的手先の早業はもはや適用されません。物理学者は代わりにコンピューターで方程式を解くしかありませんでした.
「QCD-lite」と呼ばれるQCDのバージョンでかなりの進歩がありました。このバージョンでは、質量のないグルオンとアップ クォークとダウン クォークのみを考慮し、さらにクォーク自体も質量がない (文字通り「ライト」) と仮定しました。これらの概算に基づく計算により、測定値よりわずか 10% 軽い陽子質量が得られました。
少し立ち止まって考えてみましょう。 QCD の単純化されたバージョンでは、最初から質量を持たない粒子はないと仮定しますが、陽子の質量は 90% 正しいと予測されます。結論はかなり驚くべきものです。陽子の質量のほとんどはエネルギーに由来します その構成要素であるクォークとグルオンの相互作用について。
ジョン・ウィーラーは、「質量のない質量」というフレーズを使用して、ブラック ホールが作成されるようにエネルギーを集中および局所化できる重力波の重ね合わせの効果を説明しました。もしそうなら、超高密度物質の究極の現れであるブラックホールは、崩壊する星の物質ではなく、時空のゆらぎから作られたことを意味します。ホイーラーが本当に言いたかったのは、これが重力エネルギーからブラック ホール (質量) を作成するケースであるということでした.
しかし、ここではホイーラーの言葉が適切すぎる。 QCD のアーキテクトの 1 人である Frank Wilczek は、QCD-lite 計算の結果の議論に関連してそれを使用しました。陽子と中性子の質量の多くがこれらの粒子内で起こる相互作用のエネルギーに由来する場合、これは確かに「質量のない質量」であり、挙動が得られることを意味します プロパティとして質量を必要とせずに質量に帰する傾向があります .
これは聞き覚えがありますか？アインシュタインが 1905 年に発表した特殊相対性理論に関する論文への影響力のある補遺で、彼が導出した方程式は実際には m であることを思い出してください。 =E /c .これは素晴らしい洞察です (ではない え =MC ）。そしてアインシュタインは、「物体の質量はそのエネルギー量の尺度である」と書いたとき、確かに先見の明がありました。確かにそうです。彼の著書 存在の軽さ 、Wilczek は次のように書いています:
身体が人体であり、その質量が圧倒的にそこに含まれる陽子と中性子から生じる場合、答えは今や明確かつ決定的です.その体の慣性は、95% の精度で
U-235 原子核の核分裂では、陽子と中性子内のカラー フィールドのエネルギーの一部が放出され、爆発の可能性があります。 4 つの陽子の融合を含む陽子-陽子連鎖では、2 つのアップ クォークが 2 つのダウン クォークに変換され、その過程で 2 つの中性子が形成され、その結果、カラー フィールドからわずかに過剰なエネルギーが放出されます。質量はエネルギーに変換されません。代わりに、エネルギーはある種類の量子場から別の種類の量子場に渡されます。
これは私たちをどこに残しますか？ 2,500 年前に古代ギリシャの原子学者が物質の性質について推測して以来、私たちは確かに長い道のりを歩んできました。しかし、これまでずっと、私たちは物質が私たちの物理的宇宙の基本的な部分であるという確信を持ち続けてきました.私たちは、エネルギーを持っているのは物質であると確信しています。そして、物質は微視的な構成要素に還元できるかもしれませんが、私たちは長い間、これらはまだ物質として認識できると信じていました。それらは依然として質量の主要な性質を持っているでしょう.
現代の物理学は、私たちにかなり異なること、そして非常に直感に反することを教えてくれます。物質を原子に、原子を亜原子粒子に、亜原子粒子を量子場と力に、内側に向かって作業を進めていくと、完全に物質を見失ってしまいました。物質はその具体性を失いました。質量が無形の量子場間の相互作用の結果である二次的な性質になったため、それはその優位性を失いました。私たちが質量として認識しているのは、これらの量子場の振る舞いです。それらに属する、または必ずしもそれらに固有のプロパティではありません。
私たちの物理的な世界は硬くて重いものでいっぱいですが、代わりにエネルギー 最高に君臨する量子場の。質量は、その逆ではなく、単にそのエネルギーの物理的な現れになります.
これは概念的には非常に衝撃的ですが、同時に非常に魅力的です。宇宙を統一する大きな特徴は、硬くて透過できない原子ではなく、量子場のエネルギーです。おそらく、これは哲学者が固執したかもしれない夢ではありませんが、それでも夢です。
Jim Baggott はフリーランスのサイエンス ライターです。彼はレディング大学で化学の講師を務めていましたが、退職してシェル インターナショナル ペトロリアム カンパニーに勤務し、その後、独立したビジネス コンサルタントおよびトレーナーとして働きました。彼の多くの本には以下が含まれます 起源:創造の科学的物語、ヒッグス:「神の粒子」の発明と発見、量子物語:40 の瞬間の歴史、および 現実への初心者向けガイド。
から適応 質量:ギリシャの原子から量子場までの物質を理解するための探求 ジム バゴット。著作権 © 2017 ジム・バゴット、オックスフォード大学出版局発行。無断複写・転載を禁じます。
参考文献
1. アインシュタイン、A. 体の慣性はそのエネルギー含有量に依存しますか? Annalen der Physik 18 (1905).
2. Wilczek, F. 存在の軽さ Basic Books、ニューヨーク、ニューヨーク (2008).
フォトコラージュのクレジット:Physicsworld.com; Thatree Thitivongvaroon /ゲッティイメージズ
