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『金髪の物理学者・多田将の「すごい授業」シリーズ vol.4 完結編 ~宇宙創世~』ライブレポート

2012年12月07日

文系理系、老若男女、予備知識の有無等一切問わず、
自然現象の本質を誰にでも分かるように解説してくれる大人気イベント、
金髪&ギャル語の物理学者・多田将の「すごい授業」シリーズ。

宇宙をテーマに第1回は「ブラックホール」、第2回は「ビッグバンと宇宙の謎」、
そして前回(第3回)は「宇宙と暗黒物質」と毎回白熱の授業が続きましたが、
今回(第4回)をもって”宇宙シリーズ”が完結します!

最終回のテーマは「宇宙創世」!

・宇宙はどのようにして出来たのか?
・宇宙に関してどこまで解っていて、何が解っていないのか?

最先端の理論や実験の解析結果などを紹介しながら
分かりやすく丁寧に解説してくれました。

科学を楽しみながら壮大な宇宙に想いを馳せてみませんか?

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”Shoさま”こと多田将さんは京都大学出身の理学博士。
高エネルギー加速器研究機構・素粒子原子核研究所の助教。

とても科学者とは思えない風貌ですが実は凄い人で
「成功すればノーベル賞間違なしっ!?」とも言われる
ニュートリノのT2K実験を担う素粒子物理学の第一人者。
著書に『すごい実験-高校生にもわかる素粒子物理の最前線』。
(イースト・プレス⇒詳細

今回もテリーさんとの名コンビで授業を進めていきます

テリー植田さん(司会進行※)と多田将さん
おなじみのテリーさんと多田さんの名コンビでイベントスタート
(※東京カルチャーカルチャープロデューサー)

まずは過去のおさらいから。
おさらいと言ってもみっちりと復習するワケではなく
過去3回の講義の流れを簡単に振り返ります。

第1回のテーマは「ブラックホールと宇宙」

「ブラックホールとはどんなものか?」という話から始めて
特殊相対性理論と一般相対性理論とはどんなものか、
そして、ブラックホールと時空の歪みの話へと展開されました。

相対性理論といえばアインシュタイン!
相対性理論の復習スライド

「ブラックホールと時空の歪み」について
ブラックホールについて

第2回のテーマは「宇宙膨張とビッグバン」
なぜ空は落ちてこないのかと言う話から始まり
宇宙の膨張、ビッグバンの話まで…。

そして、前回(第3回)は「暗黒物質」について。

銀河の回転速度の話から考察を積み重ね、
暗黒物質というモノがなぜ思い起こされたのか?
宇宙が今の姿になったのは暗黒物質のおかげであり、
宇宙のエネルギーの半分以上が暗黒物質エネルギーという
正体不明のエネルギーであるという内容でした。

宇宙は暗黒エネルギーによって支配されている!
暗黒エネルギーのイメージ
(※スライドはあくまでイメージであり特に悪意はないそうです:笑)

私は第3回の授業からの参加なのですが、
Shoさまの授業は予備知識がなくても大丈夫!
本当に分かりやすく説明してくれます。

宇宙シリーズは今回が最終回ですが、
カルカルでのShoさまのイベントは今後も続きますので
興味を持たれている方は難しい知識を前提としませんので
是非、気軽に参加してみてください。

【本が出る!?】

そうそう!大ニュースです!

なんと今回を含めた全4回の「多田将のすごい授業」、
”宇宙シリーズ”をまとめた本が出版される
とのこと!
カルカルでのイベントが書籍化されます!これは期待大!

…というワケで、これより下は
私・ライターが今回の授業の要点を書き起こしていますが、
書籍化されるならその本を読んで頂いた方が分かりやすいし、
色々と確実なので、ザッと眺める程度でお願いします。(汗)

宇宙シリーズ完結編「宇宙創世」の授業スタート!
今回のテーマは「宇宙創成」

 

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【予備知識(1)/反物質とは】

本題に入る前に必要な予備知識を学びます。

これを理解しておくと宇宙がどのようにして出来たのかが
非常に分かりやすくなるそうです。

反物質(反粒子)とは
質量やスピンが同じで電荷が逆の粒子のこと

Shoさま
「皆さんの体は電子と陽子で作られています。
電子はマイナスの電荷、陽子はプラスの電荷を持っています。
反物質は重さや反応性は全く同じだけれども、
電荷だけがちょうど逆になっている状態の粒子です!」

つまり…、

・電子マイナスの電荷を持っている)
⇒その反物質「
陽電子」(プラスの電荷を持っている)

・陽子プラスの電荷をもっている)
⇒その反物質「反陽子」(マイナスの電荷を持っている)

反物質の解説スライド
反物質とは
(※クリックで拡大表示)

Shoさま
「中性子に対しても
反中性子というものがあります。」

中性子は電気的に中性であり電荷を持たないと
学校で教わった人も多いと思いますが、
実は中性子は究極の粒子ではなくまだ内部構造を持っていて
中には3つのクォークと呼ばれる粒子が入っています。

クォークにはアップクォークダウンクォークの2種類があって、
電子の持つ電荷を-1(陽子の持つ電荷を+1)とすると
それぞれ次のような電荷を持っています。

・アップクォーク(+2/3の電荷を持つ)
・ダウンクォーク(-1/3の電荷を持つ)

中性子は1つのアップクォークと
2つのダウンクォークから構成されているので、結局、
全体としては電気的中性になっているというワケでした。

そして反中性子とはこれらクォークの極性が
全て逆になっている粒子のことを言います。
(つまり、内部に1個の反アップクォークと
2個の反ダウンクォークを持っている粒子のこと)

Shoさま
「粒子と反粒子は電荷の極性が逆なだけではなく
この2つが出会ってしまうと恐ろしいことが起きます!

巨大なエネルギーに変わってしまうんですね
!」
(これを
対消滅と呼ぶ)

1gの粒子と反粒子が対消滅すると
実に広島型原子力爆弾の3発分にも相当するという
とんでもない大きさのエネルギーを発生するそうです。
(もっとも今の技術で1gの反物質を作ろうとすると
何億年もかかってしまうので現実的な例えではありませんが
発生するエネルギーの巨大さをイメージしてください)

Shoさま
「逆に非常に強いエネルギーが存在すると
物質と反物質を生じることがあります!」

(これを対生成と呼ぶ

「反物質」と言われてもなかなかイメージしにくいですが
原子炉を使えば簡単に作ることができ、既に実用されています。

例えば…、、、


ポジトロン断層法(Positron Emission Tomography)

反物質の利用
(※クリックで拡大)

陽電子を利用した断層撮影法で
陽電子が生体内の電子と対消滅した際に
正反対の二方向に放射されるガンマ線を検出することで
脳の活動状態などを調べるのに使われています。

ところで、

反物質は宇宙(まとまった数で)に存在するか?
どうやら答えは「NO!」であるらしい。

もし反物質星があり、それが物質星と衝突したら
どんでもない爆発が起こるはずなのですが、
夜空を観察してもそのような現象は見つかっていません。

ならばカタマリとしてではなく粒子として
宇宙空間に存在しているのではとも考えられましたが、、
種々の実験では肯定的な結果は得られていないそうです。

Shoさま
「反粒子は宇宙にはないのではないか。
少なくとも我々の近辺にはないと言えそうです。」

BESSの実験の紹介(反物質は集められなかった)
反物質は宇宙に自然に存在するのか?
(※クリックで拡大)

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【予備知識2/温度とは】

反物質の話に加えてもう一つ予備知識を確認。

ビッグバン宇宙論を提唱したガモフは次のようなことを言いました。

「宇宙の全ての物質が1点に集まっていたのなら
想像を絶する高温になっていたに違いない!!」

それはどういった意味なのかを確認していきます。

ビッグバン宇宙論のガモフさんです
宇宙の物質が1点に集っていたのなら想像を絶する高温であったはず
(※クリックで拡大)

そもそも「温度」とは何か?

ある空間を飛び交っている粒子をイメージをします。
それは絶え間なく動き回っていてジッとしていません。

粒子の速度には個人差があり、その個人差を均した
速度(エネルギー)が平均値が温度であると言えます

その粒子のエネルギーを奪っていくと(冷やしていくと)
飛び回る元気がなくなり1箇所に固まってしまいます。
(固まると言っても完全に止るわけではなく常に振動はしている)

水で言えば非常に活発に飛び回っている高温の水蒸気が
冷たいものに衝突するとエネルギーを奪われ結露するイメージです。
結露した水滴は更に冷やされていくと氷へと状態を変えるワケですが
この状態の移り変わりを相転移といいます。
水蒸気が冷やされて水に変わるのが1回目の相転移。
水が冷やされて氷に変わるのが2回目の相転移です。

温度と粒子の運動についての解説スライド
相転移の説明図
(※クリックで拡大)

水で考えたことを粒子にも適用して考えます。
温度が非常に高い状態であると
電子と陽子は自由に飛び回ることができますが
エネルギーを奪っていくと原子の中に捕まってしまいます。

素粒子も同じで温度が非常に高い状態であると
クォ-クは自由に動くことができますが、冷やされると
陽子や中性子の中に閉じ込められてしまいます。

Shoさま
「さきほど温度は粒子の
速度の平均値と言いましたが
もっと正確に言えば
エネルギーの密度のことです!」

下のスライドの上段と下段の画には
同じ速度(エネルギー)をもった粒子が描かれていますが、
空間的な広がりが大きく異なっています。
この場合、エネルギーの密度の高い上段を温度の高い状態、
エネルギー密度の低い下段を温度の低い状態と言います。

温度とはエネルギーの密度である(上が高温、下が低温)
そもそも温度とは何かを説明
(※クリックで拡大)

Shoさま
「エアコンはこれを利用しているワケですね。
室外機から室内機に移動するときに
冷媒を使って体積を膨張させてあげています。
そうすることで持っているエネルギーは一緒だけれど
密度が下がるので、結果、温度が下がるというワケです」

この「広がる(密度が下がる)=冷える」という概念を
ビッグバンのイメージと結びつけておくと
この後の授業内容は非常に理解しやすくなります。

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【擬似タイムマシーンに乗ろう】

予備知識の準備が終わったところで本題で「宇宙創世」の話へ!

・宇宙の始まりはどうなっていたか?
・過去を知るためにはどうしたら良いか?

ドラえもんの世界ならばタイムマシンを使えばいいのですが、
時間順序保護仮説によりタイムマシンは作ることはできません。

未来へは行けますが過去にはどうやっても行けない
タイムマシーンは理論上作れない
(※クリックで拡大)

Shoさま
「でも、
擬似的なタイムマシーンならあるんです!」

ここでビッグバンの話、
「宇宙は最初はもの凄く熱かった」を思い出します。

宇宙が膨張しているということは密度が薄くなっている、
即ち、温度が冷えていっているということです。

擬似的に時間を遡ろうとするならば、逆に
温めてしまえばいい!! ということになります。

但し、温めると言っても実験室の炉では全く温度が足りません。
では、どうするか…?

人類はそのための素晴らしい装置を持っています。

もちろんコレです!加速器!
加速器は擬似タイムマシーン
(※クリックで拡大)

上のスライドはLHC(大型ハドロン衝突型加速器)の写真
世界最大の加速器で1周27kmという超巨大装置です。

この加速器でエネルギー(速度)を与えて上げれば
擬似的に時間を遡ったことになるというワケです。

さて、これを使ってどのぐらいまで遡ることができるのか?

宇宙の年表
宇宙の年表
(※クリックで拡大)

[年表の見方]

縦軸が時間軸。(対数表示)
一番上が宇宙のはじまり。一番下が現在。

対数グラフにしてしまうと宇宙の歴史の中では
初めて星ができたのも、銀河が誕生したのも
実はごく最近の出来事に見えてしまいますね…。

LHCでは宇宙ができて10の-14乗秒後まで、
温度で言うと10の17乗度まで遡ることが可能とのこと!
年表に照らし合わせると宇宙の流れの真ん中あたりまでは
実験的に遡ることができることになります。
(人間の生み出した科学技術は想像以上に凄いと実感)

ちなみにウルトラマンを倒した時にゼットンが放った
メテオの温度は10の12乗度(1兆度)だそうです。(笑)

テリーさん
「ゼットン、凄いじゃないですか!」

Shoさま
「凄いですよね。LHCは21世紀の技術ですけど
ゼットンは20世紀の技術、昭和の時代ですよ!」

客席(笑)

ゼットンの話はともかく加速器の力を借りて時間を遡り、
宇宙で「いつ何が起こったのか?」を見ていきました。

☆宇宙ができて10の13乗秒後

年表

起きた出来事…「電子が原子の殻に閉じ込められる」

現代から1万倍ぐらい時間を遡って30~40万年ぐらい前。
温度で言うと3000度ぐらいです。

これより温度が高い状態では電子は自由に飛び回っていましたが、
この温度まで下がってきた時点で電子は原子の中に捕まってしまいます。

ビッグバン宇宙論を唱えたガモフは
「ビックバンがもし起こっているのだとしたら
宇宙の晴れ上がりが起こるはずだ」と予言しました。

つまり、電子が自由に飛び回っている時は
光は電子に頻繁にぶつかってなかなか進めなかったが、
電子が原子の中に捉えられたとたん光の障害物がなくなり、
もやもやした状態からいっきに”晴れ上がる”と言うワケです。

「宇宙の晴れ上がり」は実際に観測され実証された
宇宙の晴れ上がりが実際に観測された

どんどん時間を遡ります。

☆宇宙ができて10の0乗秒後~10の2乗秒後まで

年表

起きた出来事=「元素合成」

宇宙ができて1秒後100秒後まで。
温度では10億度1000億度ぐらいに相当。

ここでは、それまで自由に飛び回っていた陽子が
原子に捕らえられ原子核が構成されました。
原子核を構成する陽子の数を原子番号と呼びますが、
宇宙における元素の組成比はここで決定されたとのこと。

元素合成の解説スライド
元素合成について
(※クリックで拡大)

Shoさま
「宇宙ができて1秒後から100秒後の間には
元素合成のもう一つ重要な事が起こっています!」

起きた出来事=「対消滅が完了し、余った粒子だけが残った」

非常に強いエネルギーの下では
盛んに対生成が起こり物質と反物質が生成されるが、
物質と反物質は互いに出会うと再びエネルギー(光)に変わるので、
対生成と対消滅がループした状態となっていました。

しかし、宇宙が膨張し、温度が10の10乗度を下回ると
対生成を起こすにはエネルギー足りなくなってしまい、
結果、対消滅だけが行われて物質と反物質がどんどんなくなり
”光ばかりの宇宙空間”へとなっていきます。

対生成/対消滅の状態の解説スライド
物質と反物質の生成・消滅
(※クリックで拡大)

Shoさま
「あれっ?じゃあ、なんで我々は存在しているの?」

答えは「物質と反物質が同数でなかった」から!
物質と反物質が同数ではなかった?

物質と反物質の数が同じであれば
物質は全て消え去るので”我々は存在しない”ことになりますが、
10億1個の物質に対して反物質が10億個あったとすれば
物質が1個が対消滅できずに余ることになります。
このあぶれ者が我々の体を作っていることになります。

☆宇宙ができて10の-11乗秒後

年表

起きた出来事…「3回目の相転移(弱い力電磁力が生まれる)」

宇宙のはじまりから1千億分の1秒後
この時の温度は1000兆度

この時3回目の相転移が起こりました。
(いきなり3回目であるのは時間を遡っているからで
更に時間を遡ると2回目、1回目の相転移が現れます)

ここで言う相転移とは「弱い力」と「電磁力」が生まれたこと。

初学者には全く意味が分からないと思いますが、
これを理解するには「力の種類」を理解する必要があります。

力の一覧
力の一覧

世の中にある力は4種類の力に大別されます。
重力」、「弱い力」、「電磁力」、「強い力」…。

高校で「摩擦力を習ったよ!」と言う人もいると思いますが、
摩擦力は巨視的な捉え方であって元は電磁力の現れです。
結局のところ、全ての力は上の4つに大別されます。

私たちに馴染みがあるのは「重力」「電磁力」です。
「強い力」「弱い力」は力の到達距離が極めて小さいので
普段の生活で感知できることは一切ない力です。
(ちなみに強い力を見つけたのは湯川秀樹

力には”力を媒介する粒子”というものが存在し、
それをキャッチボールすることで力の伝達が行われます。

その力を伝える粒子が力の種類によって異なっていて
重力ならグラビトン、電磁力ならフォトン
強い力ならグルーオン、弱い力ならウィークポゾン
これらの粒子によって力は伝達されています。

そして、

「弱い力と電磁力が生まれた」とは
「これより昔は弱い力と電磁力は同じだった」という意味であり、
それは「力を媒介する粒子が同じであった」ということでもある。

”力の種類”と”力を媒介する粒子”について
力の種類について

電磁力と弱い力がもともと一緒だったと提唱した人達
3回目の相転移について

しかし、フォトンは質量のない小さな粒子であるのに対して
ウィークポゾンは陽子の90倍ぐらい大きさの粒子で質量を持っている。
両者はあまりにも特徴が違いすぎるため、
この二つが元々は一緒だったという話はにわかに信じがたい。
しかし、彼らは最近大きな話題となったヒッグス粒子の概念を導入し
「それは正しい!」と説明しました。

ヒッグス粒子とは素粒子に質量を与える粒子のことで
ウィークポゾンには質量を与えたが、
フォトンには質量を与えなかったという理論です

理論は必ず実験で実証されなければなりませんが、
1983年に弱い力を伝達されるウィークポゾンが発見され、
もう一つのヒッグスも先のニュースで大きく報じられたように
どうやら発見の兆候が認められ、あとはデータを積み重ねていけば
正式に実証されたと言える段階に来ているそうです。

「電磁力」と「弱い力」はもともと同じだった!
Sho_sama_v04_28

☆宇宙ができて10の-36乗秒後から10の-34乗秒後まで

年表

起きた出来事…「2回目の相転移~インフレイション」

10の-36乗秒後から10の-34乗秒の間に
インフレイションという現象が起こったと考えられています。

温度にして10の28乗という”超”高温。
LHCで再現できる温度は10の17乗までなので
この段階では現象を実験的に再現することは不可能です。
故に理論上での話になります。

インフレイションという現象のキッカケとなったのが
2回目の相転移とされています。

年表の上の方。赤字の部分。
宇宙の年表をどんどん遡る

2回目の相転移は「強い力」、「弱い力」、「電磁力」という
3つの力が合わさった原始的な力から「強い力」が分岐したというもの。
(大統一理論)

力の分岐の概念図
2回目の相転移

相転移が起こる際は非常に大きなエネルギーが放出されますが、
そのエネルギー(潜熱)によってインフレイションという現象が
引き起こされたのではないかと考えられています。

それは宇宙の始まりから
10の-36乗秒後から10の-34乗秒後の間に
宇宙が10の30乗倍というもの凄い勢いで
一気に膨張したというものです。

ビッグバン宇宙論には地平性問題や平坦性問題、
モノポール問題などいくつかの問題点がありましたが、
インフレイションモデルを導入するとによって
それらに一応の説明を与えることができるそうです。

インフレイションモデルとそれを提唱した佐藤勝彦氏
インフレイションの解説

インフレイションモデルはあくまで理論上での話ではあるのですが、
計算シュミレーションによればインフレイションが起こったとすると
宇宙の仕組みを非常にうまく説明できるので
「おそらく正しいのでは」と言われている説だそうです。

そして最後!宇宙の始まり!


☆宇宙ができて10の-44乗秒後

年表

起きた出来事=「重力が生まれた」

力と分岐と統一
1回目の相転移

重力が生まれたと言っても「理論」と言うほどのものではなく
「電磁力と弱い力と強い力がもともと一緒だったのなら
重力に関しても元は一緒で良いじゃないか」程度のものらしい。

しかし、これで一応は宇宙の始まりまで遡れたことになる。

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【科学の魅力】

Shoさま
「自然科学とは、実際に起こった現象を
数式化して、法則に当てはめて、
それを基にして次の何が起こるかを予測すること!」

宇宙の年齢が137億年。

それを考えると人類が誕生したのはつい最近のこと。
そして学問が生まれ学問が信仰から切り離されて
系統だった科学として成り立ったのは
宇宙の流れの中においてはほんの僅か一瞬前と言えます。

Shoさま
「それでありながら、我々は身の回りの現象を拾い集めて
その考察を積み重ねていくことで
400億光も離れた宇宙の果てに想いを馳せることができる!
これこそが科学の最大の魅力でしょう!」

しかし、若い世代での理系離れは深刻です。
”科学の楽しさ”に触れられる機会が世の中に
もっともったくさん必要なのかもしれません。

そんな科学の魅力を存分に楽しむ機会を作ろうと
サイエンス博覧会(略してサイ博)なる企画がテリーさんの発案の下、
Shoさまは、そして放送作家の倉本美津留さんらが参画して
水面下でどうやらダイナミックに動き出そうとしているらしい…!?

放送作家の倉本さん
倉本美津留さん登壇

12月15日(土)に「アニメ宇宙論」と題してShoさまが再びカルカルでイベントを行いますが 、
その中で「サイ博」の公開ブレストも行われるそうなので
興味のある方はこのスペシャル企画をお見逃しなく!

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【今後の展開??】

ところで、Shoさまは”ソ連オタク”でもあり
「ソ連軍に特化したイベントをやりたい!」と、
盛んにテリープロデューサーに訴えていました。(笑)

宇宙年表に載せてしまうぐらいソ連は重大な関心事らしい(笑)
ソ連崩壊!?

Shoさま「あらゆるものを焼き尽くす圧倒的な火力!」
ソ連地上軍

Shoさま「北極海からアメリカ全土を焦土と化す核戦力!」
ソ連海軍

Shoさま「最終兵器と西側から恐れられた超巨大大陸間弾道弾!」
サイ博への想いを語る倉本さん

ソ連軍を語る時のShoさまが超ドヤ顔が印象的でした。(笑)

”宇宙シリーズ”も終わって今後の展開にも期待です。
(本当にソ連ネタやるの…???)

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【まとめ】

このレポートだけを読むとなんだか難しい授業を
ガッツリとやっているように思われてしまうかもしれませんが、
科学をネタに脱線あり、笑いを誘う例え話あり
客席が笑いに包まれながら授業が進行しました。
学校の授業とは全くの別物で科学を教養として、
或いは娯楽として存分に楽しめるイベントでした。

宇宙という壮大なスケールの出来事を考えるのに
素粒子という極微の世界からアプローチできるのは
「自然」「宇宙」が非常に筋が通ったものであるからであって、
すごい授業を通して科学の奥深さを再認識できます。

Shoさまの新シリーズ(?)にも期待です!

(ライター:GAMA