●4つの力と大統一理論  

 4種の力のうち、まず第1にあげられるのは「重力」である。この力は普遍的である。つまり、あらゆる粒子が、その質量すなわちエネルギーに応じて、この力を受ける。重力は、4つの力の中でも、ずばぬけて弱い。2つの特殊な性質がなかったとすれば、われわれは重力に、さっぱり気づかなかっただろう。その2つの性質とは、遠距離まで作用が届くこと、それにつねに引力であるということである。このことは、たとえば地球と太陽のような2つの大きな物体の間に働く重力を考える場合、その中の個々の粒子間には非常に弱い重力しか働かなくても、全部合わされば、かなりの大きさになりうることを意味する。他の3つの力は、短距離力だったり、ときには引力ときには斥力として働いて、打ち消しあう傾向があったりする。重力場を量子力学的な見方で見れば、2つの物質粒子間の力は、重力子(グラビトン)と呼ばれるスピン2の粒子が、担っていると考えることができる。太陽と地球の間に重力が働くのは、この2つの物体を作り上げている粒子の間で重力子が交換されているせいである。交換される粒子は、仮想的であるにもかかわらず、確かに測定可能な効果をつくりだす---地球は、それによって太陽のまわりを回っているのだ! 実在重力子は古典物理学者が、重力波と呼ぶものだが、波としても非常に弱いものである---そのために検出がむずかしく、いまだに観測されていない。
 つぎに「電気磁力」がある。これは、電子やクォークのような電荷を帯びた粒子には働くが、重力子のような電荷を帯びていない粒子には作用しない。この力は重力にくらべればはるかに強い。2つの電子の間に働く電磁気力は、その間に働く重力の一億×一億×一億×一億×一億倍のさらに100倍(1のあとにゼロが42個つく)も大きい。しかし、電荷には正と負の2種類がある。正電荷どうしの間に働く力は、負電荷どうしの間に働く力と同じく斥力であるが、正電荷と負電荷の間の力は引力である。太陽や地球のような大きな物体は、正電荷と負電荷を、ほぼ同数含んでいる。そのために、個々の粒子の間の引力と斥力は、ほぼ打ち消しあってしまい、実際の電磁気力は非常に小さくなる。しかしながら、原子や分子という小さな尺度では、支配的なのは電磁気力である。負に帯電した電子と正に帯電した原子核内の陽子の間に働く電磁気の引力が、重力が地球に太陽を回らせているのと同じように、電子に原子核のまわりを回らせているのだ。電磁気の引力は、光子(フォトン)と呼ばれる、スピン1で質量のない仮想的な粒子を大量に交換する事で生じると考えられている。ここでは、光子は仮想粒子として交換されているのである。しかし、1つの電子が、ある許される軌道から、原子核にもっと近い別の許される軌道に移るときには、エネルギーが解放され、実在光子が放出される---それが適当な波長をもっていれば、人間の目で可視光として観測できるし、あるいは写真フィルムのような光子検出装置で観測できる。同じように、実在光子が原子に衝突すると、原子核に近い軌道からもっと遠い軌道に電子が移ることも起こる。光子はそのためエネルギーを使い果たし、吸収されてしまう。
 第3の力は「弱い核力(弱い力)」と呼ばれるものである。これは放射能にかかわりのある力であり、スピン1/2のすべての物質粒子に作用するが、光子や重力子のようなスピン0、1、2の粒子には作用しない。弱い核力が、やっと十分に理解されるようになったのは、1967年である。この年、ロンドン大学インペリアル・カレッジのアブダス・サラムとハーヴァード大学のスティーブン・ワインバーグの2人は、弱い核力と電磁力を統合する理論を提唱したのだった。これは、そのほぼ100年前に、マクスウェルが電気と磁気を統合したのに似ている。サラムとワインバーグは、光子以外にも、重いベクトル・ボース粒子とまとめて呼ばれるスピン1の粒子が3つあって、弱い核力を担っていると示唆した。これらはW+、W-およびZ0であって、いずれも100ギガ電子ボルト程度の質量をもっている(1ギガ電子ボルトは10億電子ボルトにあたる)。ワインバーグ=サラム理論は、”自発的な対称性の破れ”と呼ばれる1つの性質があることを示している。これは、低エネルギーでは、いくつかの完全に異なった粒子に見えていたものが、実はすべて同じ型の粒子であって、ただ異なる状態にあっただけだと判明した意味する。これらの粒子は、高エネルギーでは、すべて同じようにふるまう。この効果は、ルーレット盤上の玉のふるまいに、かなり似ている。高エネルギーでは(つまり盤が急速に回転しているときには)、玉は、すべて本質的に一通りのふるまいしかしない---ひたすらぐるぐる回るだけだ。しかし、盤の回転が遅くなると、玉のエネルギーは減少し、最後には37個の溝のどれかに落ち込んでしまう。言いかえると、低エネルギーでは、玉がとりうる異なった状態が37通り存在する。もし、なんらかの理由で、低エネルギー状態にある玉しか観測できないとすれば、われわれは37通りの玉があると思いこんでしまうだろう!
 ワインバーグ=サラム理論では、エネルギーが100ギガ電子ボルトを、はるか越えると、3つの新しい粒子と光子は、すべて似たようなふるまいを示すようになる。しかし、通常の状況で見られる、もっと低い粒子エネルギーでは、粒子間のこの対称性は破れてしまう。W+、W-、Z0は大きな質量を獲得し、その担っている力の到達範囲は短くなってしまうだろう。この理論をサラムとワインバーグが提唱したとき、信じた人は少なかったし加速器はW+、W-あるいはZ0粒子をつくりだすには出力が足りなかった。しかし、その後10年かそこらのうちに、低エネルギー状態について、この理論が行った他の予測が、実験にたいへんよく合致したので、サラムとワインバーグは、1979年に、シェルドン・グラショウとともにノーベル物理学賞を授けられた。グラショウもやはりハーヴァード大学におり、電磁気力と弱い核力について似たような統一理論を唱えていた。誤ってノーベル賞を与えたのではないかというノーベル委員会の心配は、1983年に解消された。まさに予測通りの質量その他の性質を備えた、光子の3つの重い仲間が、CERN(ヨーロッパ合同原子核研究機構)で発見されたのである。この発見に、たずさわった数百人の物理学者チームを率いたカルロ・ルビアは、実験に用いられた反物質貯蔵システムを開発したCERNの技術者シモン・ファン・デル・メールとともに1984年度のノーベル賞に輝いた(今日では、すでに頂点に登りつめているのでないかぎり、実験物理学で名を上げることはむずかしい!)。
 第4の力は、陽子と中性子の中でクォークをまとめており、原子核の中で陽子と中性子をまとめている「強い核力(強い力)」である。この力は、もう一種のスピン1の粒子が、担っていると信じられている。これは、グルーオンと呼ばれているもので、自分自身およびクォークとしてしか相互作用しない。強い核力には”閉じこめ”という奇妙な性質がある。つまり、この力は、粒子を結びつける際に、つねに色がなくなるような組み合わせ方をするのである。クォークは単独では取りだせない。赤、緑あるいは青の色があるからだ。赤のクォークは、単独でいるかわりに、グルーオンの”ひも”によって緑と青のクォークと結びつく(赤+緑+青=白)。このような三つ組が、陽子あるいは中性子を構成する。粒子を白くする可能性は、もう一つある。それは、クォークと反クォークの対である(赤+反赤、あるいは緑+反緑、あるいは青+反青=白)。このような組み合わせで形作られるのが、いわゆる中間子だが、これは不安定なものだ。クォークと反クォークは、たがいに消滅しあって、電子その他の粒子をつくるからである。これに似た理由で、閉じこめのためにグルーオンも単独では現れない。グルーオンには色があるからだ。グルーオンは単独で現れるかわりに、全体として白色に見えるような集団をつくる。このような集団が、グルー・ボールと呼ばれる不安定粒子である。
 閉じこめられているために、孤立したクォークとグルーオンが観測できないということになると、クォークとグルーオンという粒子が、存在するということ考えそのものが、いささか形而上学的なものに見えかねない。しかし、強い核力には漸近的自由性(ぜんきんてきじゆうせい)と呼ばれる、もう一つの性質があって、そのためにクォークとグルーオンの概念は、はっきり確立されているのである。通常のエネルギー状態では強い核力は、確かに強く、クォークどうしを固く結びつけている。しかし、巨大な粒子加速器で実験してみると、高エネルギーでは、強い核力は、ずっと弱くなっており、クォークとグルーオンが、ほとんど自由粒子のようにふるまっていることがわかる。
 電磁気力と弱い核力の統合が成功したことに刺激されて、この二つのとからと強い核力を結びつける、いわゆる「大統一理論(GUT:grand unified theory)」の試みもいくつかなされた。この名称は、いささか誇張ではある。重力が含まれていないのだから「大」と名乗るほどの理論ではないし、完全な統一でもない。それに、理論として完璧だともいえない。理論からは値が予測できず、実験に合うように選ぶしかないパラメーターが、いくつか含まれているからである。とはいえ、これを完全な統一された理論へのステップとなりうる。GUTの基本的な考えは、こうである。まず、前に述べたように強い核力は、高エネルギーでは弱くなる。一方、電磁気力と弱い核力は漸近的に自由にはならず、高エネルギーで強くなる。そのために、大統一エネルギーと呼ばれる、ある非常に高いエネルギーでは、この3つの力はすべて同じ強さになり、単一の力の異なる側面に他ならなくなる。GUTはまた、クォークと電子のような、共通のスピン1/2をもつ異種の物質粒子も、このエネルギーでは、やはり本質的に同じになることを予測し、それによって、もう一つの統合を達成しようとするのである。
 大統一エネルギーの値は、正確に知られているわけはないが、たぶん少なくとも、1000兆ギガ電子ボルトには達しているはずだ。現在の粒子加速器は、粒子を、ほぼ100ギガ電子ボルトで衝突させることができるし、計画中のものは、このエネルギーを数千ギガ電子ボルトまで上げるだろう。しかし、粒子を大統一エネルギーまで加速できるような強力な加速器は、太陽系と同じぐらいの大きさになるはずだ---現在の経済事情では、その費用はえられそうにない。したがって、大統一理論を実験室内で直接検証するのは不可能である。しかし、電磁気理論と弱い核力の場合と同じように、この理論からも、低エネルギーでも検証可能な帰結が引き出せる。
 その中で、とくに興味深いのは、通常の物質の質量の大部分を占めている陽子が、自発的に崩壊して、反電子のような、より軽い粒子になるという予測である。これが可能なのは、大統一エネルギーのもとではクォークと反電子との間には本質的な違いがなくなるからだ。陽子の内部にある3つのクォークは通常、反電子に変わるのに十分なエネルギーをもっていないのだが、ごくまれにクォークの中の一つが「遷移(前期量子論で電子がある軌道から別の軌道へジャンプすること)」を起こすに足るエネルギーを得ることがある。これは、不確定性原理のために、陽子の中のクォークのエネルギーが、厳密に固定されないからである。この変化が起これば、陽子は崩壊するだろう。クォークが、十分なエネルギーを得る確率は、きわめて小さいので、少なくとも一億×一億×一億×100万年(一の後にゼロが30個つく)ぐらい待たなくては、そのような現象は、見られない。これは、たった100億年かそこらしかないビッグバン以来の時間にくらべて、はるかに長い時間である。ということになると、陽子の自発的崩壊の可能性は、とても実験的には検証できないように思えるかもしれない。しかし、非常に多数の陽子を含む大量の物質を測定すれば、崩壊を検出する機会は増やせる(たとえば一のあとにゼロが31個つづくような数の陽子を1年間観測した場合、もっとも簡略なかたちの大統一理論にしたがえば、一個以上の陽子崩壊が観測できるだろう)。
 このような実験は、いくつか試みられているが、陽子あるいは中性子が、このやり方で崩壊するという確実な証拠は、まだ得られていない。実験の一つはオハイオのモートン岩塩抗の中で行われ、8000トンの水が用いられた(深い坑道の奥で実験されたのは、宇宙線のために陽子崩壊とまぎらわしい現象が引き起こされるのを避けるためである)。実験期間中、自発的な陽子崩壊が観測されなかったことから、陽子の予想される寿命は一億×一億×一億×1000万年(一のあとにゼロが31個つく)以上であると計算できる。これは、もっとも簡単な大統一理論が予測する寿命よりも長いが、もっと複雑な理論よりは、より長い寿命を予測している。それを検証するには、さらに大量の物質を用いて、もっと厳密な実験を行わなければならない。
 自発的な陽子崩壊を観測することが、非常にむずかしいとはいっても、われわれの存在自体が、その逆過程の産物であるかもしれないのだ。その逆過程とは、クォークが反クォークにくらべて、けっして多くはなかった初期の状況から、陽子---もっと簡単に言えばクォーク--が生じる過程であるが、このような初期状況は、宇宙のはじまりとしては、もっとも自然な考え方である。地球上の物質は、主として陽子と中性子でできているが、これらの粒子は、もともとクォークでできている。反クォークでできた反陽子あるいは反中性子は、物理学者が大型の粒子加速器でつくりだした少数のものを除けば、存在していない。わが銀河のすべての物質についても、同じことが言えるという証拠が、宇宙線から得られている。高エネルギー衝突で、粒子/反粒子対として、つくりだされる少数のものを別にすれば、反陽子も反中性子も存在していない。もし、わが銀河に大きな反物質の領域があるとすれば、物質領域と反物質領域の境界あたりから、大量の放射が観測されると期待していい。そこでは、多数の粒子が、反粒子と衝突して、たがいに消滅しあって、高エネルギーを放っているはずだからだ。
 他の銀河の中の物質が、陽子と中性子でできているのか、反陽子と反中性子でできているのかについては、直接的な証拠はないが、そのどちらかであるはずだ。一つの銀河の中で、この両者が混在しいることはない。混在している場合には、やはり消滅から生じる大量の放射が観測されているはずだからだ。したがって、すべての銀河は、反クォークではなくクォークでできているものと信じられている。ある銀河が物質であり、ある銀河が反物質であるということはありそうもないように思われる。
 なぜ反クォークにくらべて、クォークがこれほど多いのか? なぜ同じ数だけ存在していないのか? 数が等しくないことが、われわれにとって幸福だったことは確かである。なぜなら、もし数が同じだったとすれば、ほとんどすべてのクォークと反クォークが初期の宇宙で、たがいに消滅しあってしまい、放射で満ちてはいるが、物質は、ほとんど存在しない宇宙が残されるからだ。そこには、銀河も恒星もなく、人間の生命が発展すべき惑星もなかっただろう。幸いなことに、なぜ宇宙が同数のクォークと反クォークから出発しながら、現在、反クォークよりも多数のクォークを含むようになっているかという問題については、大統一理論が一つの説明を提供するかもしれない。すでに見てきたように、GUTによれば、クォークは高エネルギーで反電子に変わることができる。その逆過程、つまり反クォークが電子に変わることも、電子と反電子が反クォークとクォークに変わることも許されている。ごく初期の宇宙には、粒子エネルギーが、このような変換を起こせるほど高かった、高温の時期があった。でも、なぜその結果クォークが反クォークよりも多くなるのか? その理由はこうだ。クォークと反クォークとでは、物理条件がまったく同じではないのである。
 1956年までに、物理法則はC、P、Tと呼ばれる3つの別々な対称性のいずれにも、したがっていたと信じられていた。対称性Cとは、粒子にも反粒子にも同一の法則が働くことを意味する。対称性Pは、いかなる状況と、その鏡像についても法則が同一であることを意味する(右回りに自転している粒子の鏡像は左回りに自転している)。対称性Tは、すべての粒子と反粒子の運動の向きを逆にすれば、系は、それ以前にあった状態に戻ることを意味する。言いかえると、時間の前向きの方向でも後ろ向きの方向でも、働く法則は同一なのである。
 1956年、アメリカの二人の科学者リー・ツンタオ(李政道)とヤン・チンニン(楊振寧)は、弱い力は、対称性Pにしたがっていないと唱えた。別の言葉で言えば、弱い力は、宇宙の鏡像が発展するのとは異なるかたちで、宇宙を発展させるのである。同僚のウー・チェンシュン(呉健雄)は、その年のうちに、二人の予測が正しかったことを証明した。ウー女史は、放射性原子の核を磁場の中にならべて、すべて同じ方向に自転するようにそろえ、電子が、ある方向には他の方向よりも多く放出されることを示して、予測を証明したのだ。その翌年、リーとヤンには、この考え方を打ち出したことに対して、ノーベル賞が授けられた。また、弱い力は、対称性Cにも、したがわないことも見いだされた。つまり、弱い力のために、反粒子で構成された宇宙は、われわれの宇宙とは異なったようにふるまうことになる。
 にもかかわらず、弱い力は、二つの対称性を結びつけた対称性CPには、したがっているように見えた。これは、かりに宇宙のすべての粒子を、その反粒子といれかえてやれば、宇宙は、その鏡像と同じように発展するだろうということである! しかし、1964年には、もう二人のアメリカ人J・W・クローニンとヴァル・フィッチが、K中間子と呼ばれる粒子の崩壊は、CP対称性にさえしたがっていないことを発見した。クローニンとフィッチは、この研究で1980年にノーベル賞を受けた(宇宙は、われわれが考えていたほど単純ではないことを示したことに対して、多数の賞が授けられたのである!)。
 ある数学的な定理から、量子力学と相対論にしたがう理論は、組み合わされた対称性CPTに、つねにしたがわなければならない。言いかえると、粒子を反粒子で置きかえ、その鏡像をつくり、さらに時間の向きを逆にすれば、宇宙は同じようにふるまうだろう。だが、クローニンとフィッチが示したように、粒子を反粒子で置きかえ、その鏡像をつくっても、時間の向きを逆にしなければ、宇宙は同じようにふるまわない。したがって、時間の向きを逆にすれば物理法則は、変わるはずである---対称性Tに、したがわないのである。
 確かに、初期の宇宙は対称性Tに、したがっていない。時間が前向きに進むにつれて宇宙は膨張する---時間が後ろ向きに進んだら宇宙は収縮するだろう。そして、対称性Tに、したがわない力が存在するために、宇宙が膨張するにつれて、電子が反クォークに変わるよりも、さらに多数の反電子がクォークに変わることができたのである。やがて、宇宙が膨張して冷えていくと、反クォークはクォークと消滅しあうようになるが、反クォークよりもクォークの方が多いので、少数のよぶんなクォークが残ることになったのであろう。われわれが、今日見ている物質を形づくっているのは、これらのクォークであり、われわれ自身も、それでできている。このように、われわれの存在それ自体も、定性的なものにすぎないとはいえ、大統一理論の一つの確証とみなすことができるのである。消滅しあったのちに残るクォークの数が予測できない点、あるいは残るのがクォークなのか反クォークなのかさえ予測できない点は、不確定さが存在している(もっとも、反クォークが余ったとしても、われわれは反クォークをクォーク、クォークを反クォークと命名しなおすだけのことだが)。
 大統一理論には、重力は含められていないが、このことは大した問題ではない。重力は、ごく弱い力なので、素粒子あるいは原子を扱っているときは、その効果はふつう無視できるからである。しかし、重力が長距離であり、つねに引力であることは、重力の効果が、すべて積み上げられていくことを意味する。そのため、十分な数の物質粒子があれば、重力は他のすべての力を圧倒することができる。重力が、宇宙の進化を決定しているのは、このためである。恒星程度の大きさの物体さえ、重力の引力は他のすべての力にうち勝って、星の崩壊を引き起こすことができる。1970年代の私の研究は、このような恒星の崩壊から生じるブラックホールと、そのまわりの強力な重力場に焦点を合わせていた。量子力学の理論と一般相対性理論が、たがいに、どう影響しあうかについて、私が最初のヒントをつかんだのは、この研究を通じてであった---やがて出現すべき重力の量子論の姿をかいま見たのである。(『ホーキング宇宙を語る』より)

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