●4つの力と5番目の力

 自然界にたくさんある力はすべて、4種類の力のいずれかに分類することができる。その4つの力とは「重力」「電磁力」「弱い力」「強い力」である。それぞれの力には、その力を媒介する(伝える)粒子があり、それをゲージ粒子という。
 4つの力を説明していくと、まず「重力」は、あらゆる粒子に働く力である。日頃、私たちも重力の影響を受けているが、この力は、他の3つの力に比べて非常に弱いものだ。ニュートンの発見した「万有引力の法則」は、この重力の法則である。重力のゲージ粒子は、重力子(グラビトン)とされるが、これは未知の素粒子である。
 次に「電磁力」は、電気をおびた粒子に対して働く力である。原子同士を結んで分子をつくったり、原子核と電子を結びつけて原子をつくったりする。マクスウェルの電磁気学は、この力を理論化したものだ。電磁力のゲージ粒子は、光子(フォトン)である。
 また「弱い力」は、放射能や星の核反応に関係するものである。たとえば、ベータ崩壊で中性子がニュートリノと電子を出して、陽子に変わるときなどにはたらく微弱な力だ。弱い力のゲージ粒子はウィークボソンである。これにはプラスとマイナスの電荷を持つW+W-、電気的に中性なZ0の3つがある。
 最後の「強い力」は、クォークを結合させ、陽子や中性子、中間子などを作る力である。中間子は原子核内の陽子や中性子を結合させる核力の源となる力だが、この核力も強い力の一種である。強い力はクォークの「色」という状態に対して働くことから「色の力」とも呼ぶ。強い力のゲージ粒子は、グルーオンである。

4つの力
重力
電磁力
弱い力
強い力
(色の力)
具体例

・天体間の力
・重力

・原子間の力
・化学反応を起こす力

・ベータ崩壊を引き起こす力

・原子核内の力
(核力)

作用する荷量
(かりょう:何に対して働くか)
質量
(エネルギー)
電荷
弱荷(じゃくか)
色荷(しきか)
力の及ぶ範囲
(mm)
無限大
無限大
10-14
10-12
力を媒介するゲージ粒子
グラビトン
(重力子)
※まだ発見されていない。
フォトン
(光子)
ウィークボソン
(弱中間子)
グルーオン
(膠着子:こうちゃくし)

 上で説明した4つの力は、自然界にある、たくさんの力を4種類に整理したものである。しかし、物理の世界では、この4つの力をもっとコンパクトにまとめて、統一的な方程式で説明しようという試みがなされている。これを力の統一理論と呼ぶ。
 4つの力のうち、電磁力と弱い力は、1967年にアメリカのワインバーグとパキスタンのサラムによって理論的に統一され、ワインバーグ=サラム理論(または単に統一理論)と呼ばれている。これによって、統一された「電弱力(でんじゃくりょく)」に、さらに強い力を加えた大統一理論もあるが、まだ、理論的に完成していない。ちなみにアインシュタインは、重力と電磁力の統一に情熱を傾けたが、失敗に終わっている。重力を含めたすべての力を統一する超大統一理論も、未完である。
 ところで、力の統一理論を完成させると、宇宙の歴史の中で力が「進化」した過程が明らかになるのだ。力が進化するとは、いったいどういうことか?
 下の図を見てほしい。宇宙誕生の時には、ひとつの力しかなかったと考えられている。ビッグバン理論によると、宇宙は始め高温・高密度の火の玉状態から膨張したとされているが、高温・高圧の初期宇宙では、力は一つにまとめられていたのだ。

4つの力のわかれ方

 やがて、宇宙が膨張し、温度が下がっていくと、ひとつしかなかった力が4つに枝分かれしていったのである。高温に時には、ひとつの力として存在する方が安定的なのだが、ある一定の温度以下では、別れて違う現れ方をした方が安定するためだとされる。(図解雑学 量子論 ナツメ社より) 

宇宙は加速しながら膨張しているとわかり科学者達は唖然  

 科学者達は、宇宙が減速と言うよりも加速しながら、謎の力によって膨張している事を発見し、頭をかいて悩んでいます。「もし、それが本当なら、数十億年後には夜空から星は失くなってしまうだろう。」とある天文学者は語りました。「宇宙は見た目に本当に寂しい所になってしまうだろう。」と天体物理学者の為のハーバード・スミソニアン・センターのロバート・カーシュナー氏は語りました。もしこの発見が正しければ、アルバート・アインシュタインが自分の大きな間違いだとして捨て去った最初の理論を、支持することになります。「それは、私たちが、まだ他に小さな影響が派生しないかどうかと心配しているというような奇妙な結果になっている。」とカリフォルニア大学のアダム・リーズ天文学者は述べました。この発見をしたカーシュナーやその他の15人のメンバーから成る国際チームの一員のリーズは「間違いにしては、具体性があるものだ。」と語っていますが、何かを見つけたわけではありません。この発見は先月ロサンジェルスの科学者会議で議論され、サイエンス・ジャーナルで報告されました。
 ハッブル宇宙望遠鏡やハワイやオーストラリアやチリにある地上望遠鏡を使って、天文学者達は、14個の超新星の破片や地球から70から100億光年離れた爆発する星々を追跡したり繰り返し測定を行っています。 チームのメンバーは、遠くにある超新星が離れて行く速度を測定しました。それらの比率が、地球にかなり近い超新星の動きの速度と比較されました。「その結果、遠くにある超新星ほど我々から高速で離れているということになり、それは、宇宙がその分速くなりながら膨張しているということを示している。」とリーズは語りました。彼らは、宇宙の膨張は重力の影響から減速しているという結果になるだろうと思っていました。「人々は、宇宙はビッグ・バンの惰力で広がっていると考えていたのですが、我々はそれがスピード・アップしていることを発見したのです。」とカーシューナーは述べました。ビッグ・バン理論によると、宇宙は120億年前に一点から爆発して現在も膨張している事になっていますが、その膨張速度は減速する事になっているのです。しかし、リーズや他のメンバーは宇宙は実際には50ないし70億年前から加速しながら 広がっている事を発見しました。「この発見はあまりに驚くべき事なので、誰もがその判断はすぐに下さないだろう。」とシカゴ大学の天文学者ロッキー・コルブ氏は語りました。
 カーシュナーは、「この結果が受け入れられるまでには、激しい論争が起こるでしょうが、この予備結果は、他の天文学者のグループで行われている平行して行われている研究では受け入れられています。私たちは、それを、こんな気味の悪い力ではなく、何かもっと平凡なことを使った別の解釈で説明できないものかと頭をかきながら考えているんですが。」と語りました。それは、宇宙の膨張を重力に逆らって働き、加速させているので、気味の悪い力と呼ばれています。「もしこれが、他の結果や他の研究方法によって確認されれば、宇宙には何かもっと重要な別の構成要素があると言うことになります。」とカーシュナーは述べました。宇宙を通って動く物資は減速するのではなく、新しい力が、(もしこの研究が正しいならば)加速させています。それは非常に奇妙なことだけど、奇妙なことが、真実になってしまうということが先行しないということでもありません。
 近代物理学は4つの力を証明しています。「強い力」という原子核がお互いに引き合う力、「弱い力」という原子の崩壊を引き起こす力、「電磁力」という原子の回りの軌道の電子を引きつける力、そして「重力」です。カーシュナーは「5番目の力が作用しているはずだ。」と言っています。この5番目の力考え方は物理学者によって予言されてきました。もしこの研究が正しいのなら、宇宙は実に加速して膨張しており、この発見は天文学者達の疑問を解く事ができるのです。いくつかの測定で、宇宙の年齢はおよそ100億歳とされています。しかし、それはいくつかの測定された星の年齢よりも若いのです。この宇宙の加速膨張説をつかうと、宇宙はおよそ140億歳となり、最も年老いた星よりも20数億歳だけ高齢ということになり、娘が母親よりも年老いているという矛盾はなくなります。
 アインシュタインは最初は、リーズが「時空間における真空中に存在する気味の悪い力」と表現した物と同じ「宇宙項」というものを提唱しました。リーズは、「このアインシュタインが捨て去った宇宙項こそが加速膨張説を説明できる唯一の理論だ。」と言います。「我々の毎日の実験結果は、真空とは空で、何も存在しないものだと伝えます。しかし、それは真実ではないかもしれません。そこには、真空に関係するエネルギーか力が存在するかもしれないのです。」「近すぎる距離では、この気味の悪い力は検知する事はできません。しかし、70億光年から100億光年を越す距離では、この力は、重力に打ち勝って宇宙を加速させるだけの十分に強い力として計算できるだけの何かに変わるのです。」「私はこの力がこれまで見つからなかった事に驚いてはいません。この力は、小さなスケールでは非常に弱い力で、あなたが振り返って見て、初めて認識できる物になります。それはたくさんいるアリみたいな物で、一匹では弱いですが、たくさん集まると大きな重石でも持ち上げる事ができるようになります。」とリーズは語りました。(CNN Interactive TECH Spaceより)  

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