極大極小2

宇宙と素粒子の意外な関係

冒頭にＳＦ小説のカリカチュアとして記した月の模型と原子の模型
という話は、戯画だけに概念としての極大極小をよく示している。
宇宙と原子はたしかに極大極小の極みであろう。しかし極大極小を
同じパースペクティブで見ると、宇宙とは、極小の微粒子から極大
の全宇宙まであらゆる物質が同時に存在する究極の極大空間だとい
うことになる。であるからこの究極の極大空間を究明しようとする
とき、極小の微粒子の研究が欠かせなくなる。

この相関についての詳しい話は、佐賀大学理工学部の船久保助教授
がオンライン公開講座として詳しい展開を図っている。そのサイト
から学んだことをかいつまんで記したい。そのひとつが｢バリオン
数生成の問題は宇宙の自明な観測事実でありながら、最先端の素粒
子の理論や実験と関係しているホットなテーマ｣という一文である｡

バリオンとは陽子･中性子のことであり､宇宙が現在の姿になるには
宇宙初期にこのバリオンがどう生成されてきたかが重要な問題だと
いうのだ。物質の究極がクォークやレプトン(電子)であり、宇宙の
始まりに近い超高温の中ではこれらの素粒子には必ず反粒子が存在
していた。そして素粒子と反粒子による対消滅により光が生まれ、
光子による対生成で素粒子と反粒子の生まれる現象が同時に起こっ
てきた。そのバランスがまったく同じなら、物質は残らず、今の宇
宙はなかった。そこでこの対生成がなぜどのように残ったかが宇宙
の始まりを解くカギであると同時に、素粒子論の重要な課題となる
のである。詳しくはオンライン公開講座をお読みいただきたい。

もっと単純に宇宙と素粒子における極大と極小の比較もしておこう
と思う。身近な太陽系でいえば、太陽の中心地点から地球まではお
よそ１億5000万km,最も遠い冥王星まではおよそ59億km。このあた
りまでは地球の円周から割り出した単位で記すことができるが、こ
れ以上の距離になると記しきれなくなる。そこで宇宙の距離を測る
ためには光が１年をかけて進む距離を１光年とし、これを単位とし
てその距離を測る。ちなみに１光年とは１億ｍの１億倍相当の距離
である。といわれても想像がつきにくいが。

宇宙を構成する目に見えやすい単位は衛星、惑星、恒星、銀河、銀
河団、超銀河団だといわれる。恒星まではなんとかその大きさの想
像がつくので、恒星以降の大きさをざっと示すと、銀河の大きさは
およそ数万光年、銀河団が数百万光年、超銀河団にいたっては数億
光年という大きさになる。そしてこれらを包含する宇宙そのものの
大きさは、現在観測では130億光年ほどであろうといわれる。

その宇宙の寿命について語るともっとすごい数字が出てくる。我々
の宇宙が閉じた宇宙だと仮定して、その現在年齢はおよそ100～200
億年。この現状から推し量ると１兆年という数字が出てくると説く
学者もいる。この宇宙がその寿命を迎えたときに始まるのが｢ビッ
グクランチ｣だ。膨張し続けた宇宙が収縮に転換する。

その過程では、高エネルギーとなった光子により原子は原子核と電
子に分離し、さらには宇宙空間を満たしているといわれる放射温度
が星の温度より高くなって星々を融かし、銀河の中核にある巨大ブ
ラックホールが星の残骸などを呑み込み始める。そして最後は巨大
ブラックホール同士が合体を始め、やがて宇宙は究極の巨大ブラッ
クホールとなってしまうのだといわれる。閑話休題。

では、この項の最後に素粒子の大きさについて若干だけ触れておこ
う。先にnm(ナノメートル)は１億分の１ｍだと記したがこれは10の
マイナス９乗ｍで記す。これを基準に以下の数値を見ていただきた
い。原子の大きさがおよそこの大きさである。そして原子核は10の
マイナス13乗ｍ、その中の陽子が10のマイナス14乗ｍだという。こ
ちらも宇宙と同様、その大きさは日常感覚では想像しがたい。

[3]へ続く