第３章：まとめと用語解説

１．ビッグバン

宇宙は膨張を続けるがその速度は落ちはじめ、熱エネルギーを放出し始める

宇宙に存在する”物質エネルギー密度”のうち

　真空エネルギーは76％

　物質は4％

　ダークマターは20％

宇宙には多くの物質が存在する、その物質のありようは”力”の作用によって決められる

ダークマター：

未確認物質（暗黒物質）、真空エネルギーは暗黒エネルギー（人類が確認しているのは４％と言うこと）、星の生成には宇宙にあまねく存在するダークマターの働きが大きいとされる

１．インフレーション

約１3７億年前　10の４４乗分の1秒後　10の34乗分の1㎝　宇宙が誕生

“真空エネルギー”が相転移（形態変化）で潜熱として解放され超高温の宇宙が加速膨張する

（真空エネルギーの密度は一定だから　宇宙が膨張しただけ真空エネルギーの量が増える）

１０の３３乗分１秒後　インフレーションが終わる　宇宙は１㎝になる

温度100兆×100兆度の”火の玉”宇宙である、急激な膨張が続き、熱が放出されて下がっていく

この短い期間に宇宙は光速を遙かに超える速度で加速膨張、宇宙の温度は頂点に達する、同時に“重力場”も形成される

インフレーション理論はビッグバン理論で説明の付かなかった宇宙の“平坦性問題”“地平線問題”を解決したそうだが、残念ながら私にはよく解らない

１．無のゆらぎから宇宙は生まれる

宇宙が出来る前　空間・時間・物質・力　何もなかった“真空”＝“無”

しかし量子論では”真空”はエネルギーで満たされていたと言う

エネルギーは”物質エネルギー”と”放射エネルギー”があって、真空は”放射エネルギー”つまり”光子”で満たされていたとも言う

空間は空っぽじゃなかった、無ではなかった（粒子のスープ）

粒子と反粒子がきっかり同量生み出され、対生成（エネルギー→粒子+反粒子）と対消滅（粒子+反粒子→エネルギー）を繰り返していた（空間・時間・エネルギーが一つの値をとり得ない量子の”ゆらぎ”）

プラスとマイナスの粒子が相殺しあって結果的にゼロになっているような状態だった

１．真空エネルギー：

量子力学によると、真空中では場の最低エネルギー状態がゆらぎ、仮想粒子の対が生まれては消える。このエネルギーを指していう。宇宙誕生時のインフレーション(急膨張)の原動力ともみられている。

(尾関章朝日新聞記者／ 2007年)

仮想粒子：粒子（素粒子）間の反応の際の中間過程において現れ（＝生成し消滅し）、その実在を考慮しなくてはならない（= virtual）粒子を指す。場の量子論に従い反応に関する量を計算する際には、この実在を考慮することによって、初めて正しい答えが得られる。

実粒子
実験で観測される粒子は、エネルギー E, 運動量 p, 質量 m のあいだに特殊相対性理論から従う
m 2 = E 2 ? p 2 という関係を満たしている場合である。これを強調したい場合に実粒子と呼ぶことがある。
仮想粒子
実験では直接観測されない（従って上記関係を満たさない）粒子は、反応の中間過程内に限定され生成消滅する。これを特に実粒子と区別したい場合に、仮想粒子と呼ぶ（wikiより）
ここで言う粒子は素粒子ではないのだろうか？
素粒子より小さい単位の粒子が有るのだろうか？
聖書”創世記”に曰く
”はじめに神は天と地とを創造された。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。 神は「光あれ」と言われた。すると光があった”（創世記より）
絶対の神の言葉だからか、聖書作家の類い希な感性だからか、当たらずとも遠からじの様な気もする

1.エネルギー

まずもって　私には　エネルギーと言うのがよく解らなくなった

多田将先生は”宇宙のはじまり”で代表的エネルギー・温度とは何かについて”空間のなかを飛び回っている粒子の”平均的速さ”と定義されています

温度が低いと電子は元気がなくて（エネルギーが低くて）陽子に捕まって一つの原子として安定する、これが物理学の”相転移”（消灯時間と表現されています）

逆に温度が高くても陽子も電子も自由に動き回っている状態が”プラズマ状態”と説明されています

例えば“脳”に対する“心”のように、物質の反応概念の様に思われるが

アインシュタイン特殊相対性理論が帰結した（対生成・対消滅はたまた核兵器・原発を生み出した根本原則）

エネルギー E =質量 m ×光速度 cの2乗（質量・エネルギー等価性原則）

があるからエネルギーが恰も物質のような感覚にとらわれる

Yahooの質問箱を見てみた

エネルギーとはなんですか？（yahoo智恵袋の質問）

エネルギーを構成するものはありません。
エネルギーは揺らぎ、運動、流れのようなもので構成するとは物質に使う言葉です。
また、物質にはエネルギーを溜めることが出来ます。それは熱であったり、電気であったり、放射線、変形、分子間力、あらゆる力のエネルギーを蓄えることが出来ます。
物質がエネルギーによって成り立っているのは物質がエネルギーを蓄えるからです。
物体は分子が分子間力により結びつき、エネルギーを蓄えます。分子は電気の力で原子が結びつきエネルギーを蓄えます。原子もまた力で粒子が結びつきエネルギーを蓄え、粒子も力で結びつきエネルギーを蓄えます。
これらが完全にバラバラになる時にエネルギーを放出します。
また、時間や空間がなかったとしてもこの蓄えられたものは変化しません。
そのため存在します。
蓄えられたエネルギーは放出されない限り消えることはありません。
いわばそういうものです

エネルギーとは、素粒子などが惹かれあう力ですか？（yahoo智恵袋の質問）

現代物理学的な立場から言えば「時間に共役な保存量」というのが定義(の1つ)になります。
よく、運動エネルギーやら位置エネルギーやらE=mc^2やら熱エネルギーやら、いろいろ言われますが、エネルギーというのは、そういった様々な形態のエネルギーをすべて足し合わせたもの、です。
「エネルギー保存則」という物理の大原則は、エネルギーの総和は宇宙全体で一定という法則です。
逆に、物理では「保存するように」エネルギーを定義します。あるいは理論を作ります。
一方、力というのは、ニュートンの第二法則F=maで定義されます。
つまり、物体がどれだけ加速するか、ということです。
古典力学の範囲内では、dxだけ力Fを加えると、dW=Fdxの分だけ仕事がされ、
これがすなわちエネルギーの定義となります。
このように力とエネルギーは関連していますが、両者は区別しなければなりません。
まず、力には向き(上下左右手前奥)がありますが、エネルギーに向きはありません。
「右向きに1Jのエネルギー」なんてのはありません。
また、当然ですが力は保存量ではありません。
さらに、そもそも単位が違います。15秒と60kgを比べるようなものです。比べようがありません。
ですから、ご質問の「エネルギーとは、素粒子などが惹かれあう力ですか？ 」
に対する答えは、「No」です。

1.素粒子の４つの力

重力　　　万有引力　質量に比例し距離の２乗に反比例

電磁気力

強い相互作用　原子核の中で陽子と中性子を結びつけ、陽子の中でクオーク同士を結びつける

弱い相互作用　ベーター崩壊（元素の原子核が崩壊し別の原子核になること）のときに働く力

素粒子：６種のクオーク、６種のレプトン、４種のゲージ粒子

大統一理論（その一つに超弦理論）はこの４つの力を統一的に捉える

最初は１つの力として未分離、10の４４乗分の１秒後重力が、１０の１１乗分の1秒後４つの力になった（温度はまだ１０億度）

大統一理論は物理学者の夢：（重力、強い力、電磁気力、弱い力という４つの力を統一して１つの法則にまとめ上げたいと思うのです）

1.素粒子

物質を構成する素粒子

 

第一世代

第２世代

第３世代

クオーク

アップクオーク

チャームクオーク

トップクーク

ダウンクオーク

ストレイジクオーク

ボトムクオーク

レプトン

電子

ミューオン

タウオン

電子ニュートリノ

ミューニュートリノ

タウニュートリノ

例えば陽子はアップクオーク２つとダウンクオーク１つからなり

中性子はアップクオーク１つとダウンクオーク２つからなり

中性子は寿命１５分で陽子、電子、反電子ニュートリノに変わる（同世代の素粒子同士は変化する）

力を伝える粒子（ゲージ粒子）

グルーオン、光子（フォトン）、ウイークホゾン、グラビトン

（媒介粒子を投げあうことで力が働く）

質量を与える粒子

ヒックス

（質量とは“動きにくさ”、ウイークホゾンにはヒックスがまとい付き質量を獲得動きにくくなる、

フォトンはヒックスがまといつかない）

1.元素合成

ビッグバンから約3分から20分までの間に、陽子と中性子が生成され、陽子と中性子が合体して”重水素”の原子核（重陽子）重陽子がぶつかり合って”ヘリウム３”の原子核が誕生、ヘリウム３の重陽子がぶつかり”ヘリウム４”が誕生

更に、リチウム7とベリリウム7までの原子核が生成されました。

Wikiから

元素合成（げんそごうせい、Nucleosynthesis）とは、核子（陽子と中性子）から新たに原子核を合成する事象である。原子核合成、核種合成とも。

例えば、水素と重水素を非常に強い力によってぶつけると、その二つの元素が合成されてヘリウムが作られる。

ビッグバン理論によれば、核子はビッグバン後宇宙の温度が約200MeV（約2兆K）まで冷えたところで、クォークグルーオンプラズマから生成された。数分後、陽子と中性子からはじまり、リチウム7とベリリウム7までの原子核が生成されるが、リチウム7やベリリウム7は崩壊し、宇宙に多く貯蔵されるには至らない。ヘリウムより重い元素の合成は概ね恒星での核融合や核分裂により生じる。また、鉄より重い元素はほとんどが超新星爆発の圧力によってのみ生成される。

今日、地球上の自然界を構成する多くの元素はこれらの元素合成を通して作られたものである。

1.対生成と対消滅

素粒子が誕生する際、質量全く同じでプラス・マイナス電荷が正反対の”反粒子”が生まれる

無数に生まれた粒子と反粒子はぶつかり爆発して消滅するが（対消滅）、反粒子の数が同時に生まれた素粒子の数よりなぜか１０億個に１個ほど少なかったので（CP対称性の破れ）、この差が宇宙の物質を作った

キッズサイエンティストhttps://www2.kek.jp/kids/class/particle/class01-06.html

 ワインバーグ博士の仮説

● もともと、宇宙創成直後の超高エネルギーの世界では、粒子と反粒子が対消滅、対生成を繰り返し、それらは同数あった。

● それらの大部分は宇宙の冷却に伴って対消滅してしまった（消滅のエネルギーが宇宙の膨張で薄まって、再度対生成できなくなった）。

● しかし、粒子と反粒子で反応法則にわずかな違いがあり、その差の分だけ粒子だけが残った

クオーク同士が結びつき始め陽子や中性子が誕生

小林・益川理論：

基本粒子クオークが少なくとも3世代（6種類）以上存在することを予言し、それらの世代間混合を導入するとCP対称性の破れを説明できることを示した。

高エネルギー加速器研究機構の実験で理論が正しいことが証明された

ただし　この時点では高いエネルギーをもった光が宇宙全体に充満していたため原子核（プラス）は電子（マイナス電荷）を捕まえられなかった

約３８万年経過、電磁気力の作用で原子核は電子をとらえ”原子の構造”ができあがる

光の乱反射が徐々に収まる（宇宙の晴れ上がり）　温度は3000度前後に下がっている

1.宇宙の晴れ上がりと星の誕生

水素やヘリウムガスが宇宙に広がったが、完全に均等に広がらず、わずかな偏りが生じる（ゆらぎ）

わずかな質量の偏りが重力の偏りをよび、さらにそれが質量の偏りを呼ぶ、最終的に他より極端に密度の高いガスの塊ができる、このガスの塊が数億年の時間の経過で星（恒星）になった

大量のガスが集まってできた星の内部では巨大な圧力で温度が急上昇

２５０万度を超えるあたりから重陽子同士が融合、その際膨大なエネルギーを放出（核融合）

１０００万度越から水素の核融合

１億度越で（ヘリウム４の原子核が３個衝突して）炭素を合成（炭素は生物に必須）

炭素ができるとその炭素とヘリウム４が融合して酸素が生成

最終的にマグネシウム・ニッケル・コバルト・鉄などの金属も誕生

鉄の原子核はもっとも安定しているので、他の原子核と衝突しても融合せず、星の中心部にたまっていき”重力崩壊”→”超新星爆発”が起こる（太陽もその結果誕生したか）

”ゆらぎ”が星の集団を形成する

　　恒星→球状星団（２００億個以上の星からなる天の川銀河等）→

局所銀河群（10あまりの銀河で）→局所銀河団（数100個の銀河）→

超銀河団（数万の銀河からなる、乙女座銀河団）

1.参考web

物質の起源に関して　次のwebが易しく詳しく説明されています

われわれはどこから来て、どこへ行こうとしているのか　そして、われわれは何者か

－宇宙・地球・人類－

http://www.s-yamaga.jp/nanimono/uchu/busshitsu-1.htm

キッズサイエンティスト　物理教室　

https://www2.kek.jp/kids/class/particle/index.html

1.星の一生

　質量が太陽の４倍以下　膨張して”赤色巨星”→収縮して”白色矮星”→”黒色矮星”

　４倍～８倍　　　　　　超新星爆発で塵に

　８倍～３０倍　　　　　超新星爆発で”中性子星”に

　３０倍以上　　　　　　ブラックホールに

中性子の質量は陽子より0.14％重い、より重くても軽くても現在の物質は存在不能

”弱い相互作用”の値が現在より大きくても小さくても超新星爆発はなく今ある元素もない

電磁気力と重力の比率、宇宙の膨張速度他多くの自然定数が現在の数値と少し違っただけで

今の宇宙は存在しない、今の自然定数はなぜ決まったかの謎

1.太陽系の星たち

　

太陽からの距離

半径　km

対地球体積

対地球質量

自転所要時間

公転所要時間

 

水星

0.38倍

2440

0.056

0.06

58.6D

88.0D

昼は400度以上、夜は-200度

空気も水もない荒涼たる大地

金星

0.72倍

6052

0.86

0.82

243D

224.7D

殆ど２酸化炭素の大気の“温室効果”で表面温度４００度以上のため水は蒸発

地球

1倍

6378

1

1

23.9H

365.3D

 

火星

1.52倍

3396

0.15

0.11

24.6H

686.0D

表面温度20～-130度ほど

氷の形で僅かな水が？

木星

5.20倍

71.492

1321

317.83

9.9H

11.8Y

ほぼ太陽同様の軽いガス体

分厚い大気層と液体層が取り囲んでいる

３つの衛星に生命存在可能性

火星との間に小惑星帯が存在

土星

9.55倍

60.268

764

95.16

10.7H

29.5Y

リング（衛星になりきれなかったもの、衛星の破片など）

60個ほどの衛星

衛星タイタンに生命存在の可能性

天王星

19.21倍

25559

63.1

17.15

17.2H

84.3Y

 

海王星

30.07倍

24764

57.8

14.54

16.1H

164.79Y

外側にエッジワース・カイバーベルト、オールトの雲が広がる

太陽

　

70万

130万倍

約33.3万倍

34日極付近・25日赤道付近

　

殆ど水素

核融合で表面温度６千度

プロミネンス、黒点






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