物質はどうやって生まれてきたか

かねちゃん @PEACEphotohito

物質はどうやって生まれてきたか（1） 立派な学者というのは沢山のことを知ってる人ではない。知らないことがこんなにあるぞ、というのを痛感しているのが立派な学者。

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物質はどうやって生まれてきたか（2） 宇宙の始まりはどの宗教でも物語がある。今から百年以上前の人達に、この世の中どうやって始まったんのか問いかければ、必ず神様を持ち出してきたはず。神様を持ち出してきて説明するのが一番簡単。神様を持ってこないで理解しようとし始めたのがルネッサンス。

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物質はどうやって生まれてきたか（3） 今から半世紀以上前、ロシア生まれの物理学者、ジョージ・ガモフという人がいた。「不思議の国のトムキンス」という本の著者。彼は次のような仮定を立てた。「宇宙の始まりは、超高温度で超高密度の中性子のかたまりだった」この仮定をおいて何が説明できるか。

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物質はどうやって生まれてきたか（4） 科学において、ゼロから全部説明するという事はない。必ず仮定から出発して、この仮定でどのような事が説明できるかという論法になる。

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物質はどうやって生まれてきたか（5） ガモフの仮定「超高温度で超高密度な中性子の塊があったとせよ」から始めると何が起きるか。当然膨張を始める。膨張すれば密度が下がる。密度が下がれば温度も下がる。すると中性子が崩壊を始め、陽子と電子に分かれる。この時にニュートリノが放出される。

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物質はどうやって生まれてきたか（6） 陽子の誕生とは、即ち水素の原子核の誕生。次に陽子と中性子がくっ付いて重水素の原子核が誕生する。次に重水素核に中性子と陽子がくっ付いてヘリウム核が誕生。

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物質はどうやって生まれてきたか（7） 中性子たけだった物質（イーレム）が、膨張する過程で水素、重水素、ヘリウム、それとほんの少しのリチウムなどが出来た。科学である以上この仮説が本当かどうか検証する必要がある。では、どうやって検証するか、、、

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物質はどうやって生まれてきたか（8） ガモフは、イーレムだった頃の熱がまだ残っているはずだと考えた。超高温状態では、電子は陽子に捕まらずに飛び回っている。熱は電子にぶつかり真っ直ぐ進めない。つまりプラズマの状態（＋と－が分かれて存在している状態）。

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物質はどうやって生まれてきたか（9） 膨張により温度が下がると電子（－）が陽子（＋）に捕まり原子（中性）となる。すると熱が真っ直ぐ進めるようになる。熱と光と電磁波は同じもの。波長がある。膨張と同時に波長も伸びていく。

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物質はどうやって生まれてきたか（10） 波長が伸びる（長くなる）ということは熱（光・電磁波）が弱くなるということ。その波長は伸び続けて今も存在しているはず。イーレムだったころの熱は、おそらく絶対温度5度のスペクトルになって宇宙に満ちているはずだ。ガモフはこう予言した。

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物質はどうやって生まれてきたか（11） それを見つければガモフの仮説は立証される。しかしなかなかみつからなかった。やがて、アメリカのペンジウスとウィルソンがみつける。軍事用のレーダーを用いて他の仕事をやってたらどうしても防げないノイズがあった。そのノイズが実はそれだった。

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物質はどうやって生まれてきたか（12） 見つかった熱は絶対温度2.7度だった。予測には誤差があったものの、ガモフの説は殆ど正しかったことが証明された。ここで終わるわけではない。ガモフの説が正しかったとすれば、その最初のイーレムはどうやって出来たのかという問題が必然的に出てくる。

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物質はどうやって生まれてきたか（13） 現在、宇宙はビッグバンから始まったとされている。これは殆どガモフの説と同じだが、その説でいうイーレム内の中性子が出来る前はどうだったのか。もっと高密度で高温の状態ならどうなるか。絶対に素粒子があったはず。

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物質はどうやって生まれてきたか（14） ありとあらゆる素粒子と、それらの反粒子が対になって現れては消える。物質と反物質は対称性を成しているので、どちらか片方だけが現れることはない。必ず対になって現れる。物質と反物質がぶつかり合うと消えてしまう。

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物質はどうやって生まれてきたか（15） つまり全て消えてしまう。対消滅は加速器の実験で何度も確認されている。しかし、実際には消えずにこうして宇宙があり我々がいる。つまり、反粒子よりも粒子の方がほんの少し（10億分の1くらい）多かった（余った）ことになる。大きな謎だ。

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物質はどうやって生まれてきたか（16） ところが近年になってヒントが見つかった。2008年に日本の高エネルギー加速器研究機構にあるBelle検出器が、ある粒子における対称性の破れを発見した。粒子と反粒子の僅かな寿命の差を見つけたのだ。反物質の方がほんのわずか寿命が短かった。

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物質はどうやって生まれてきたか（17） まだ２件の事例ではあるが、この発見は大きい。ほんの僅かな確率だが、反物質だけが消滅し物質が取り残されるケースがあり、無限に近い回数の生成と消滅を繰り返すうちに、やがて宇宙は物質だけで構成されるなったという説明が出来るようになるかもしれない。

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物質はどうやって生まれてきたか（18） まだ課題はあるが、今のところそれが最有力候補だ。大きな宇宙を調べる事と、小さな素粒子を調べる事は、実は同じ事。小さな物は見えない。見えない物を何とか観測する。粒子と反粒子をぶつけて何が起きるか。それは、ビッグバンやその前を調べるのと同じ。

かねちゃん @PEACEphotohito

物質はどうやって生まれてきたか（19） ガモフのお陰で水素とヘリウムの誕生は説明出来た。宇宙で一番最初に誕生したのは水素。だから当然宇宙は水素が最も多い。全体の90.2パーセントを占める。ヘリウムが9.7パーセント。残りの全ての元素を足しても0.1パーセントしかない。

かねちゃん @PEACEphotohito

物質はどうやって生まれてきたか（20） 地球上で水素は貴重だが、宇宙に出たら水素だらけ。水素は陽子の数が１つ。これにもう１つ陽子がくっついて２つになるとヘリウム。さらにもう１つくっついて３つになるとリチウム。元素番号は陽子の数。イーレムの膨張で説明出来るのはせいぜい陽子３つまで。

かねちゃん @PEACEphotohito

物質はどうやって生まれてきたか（21） ではそれより重い（陽子が多い）元素はどうやって出来たのか。我々の体は炭素で出来ている。人間だけでなく、地球上のあらゆる動物や植物もみな炭素で出来ている。炭素の元素番号は６。つまり陽子が６個くっつかないと我々のような有機生命体は作れない。

かねちゃん @PEACEphotohito

物質はどうやって生まれてきたか（22） 我々の体を作っている炭素も、地球で作られたわけではなく、宇宙のどこかで作られたもの。地球は太陽の周りを回るチリが集まって出来た。そのチリの中に炭素が含まれていたからこそ我々は誕生した。そのチリは、まだ太陽系が出来る前にどこかで作られたもの。

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物質はどうやって生まれてきたか（23） イーレムはその後どうなったか。超高密度で超高温の中性子の塊が膨張し、その中性子はベータ崩壊して殆どが水素となった。核融合によって一部はヘリウムになった。さらに膨張し密度と温度が下がると核融合が出来なくなり、それ以上の元素は作れない。

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物質はどうやって生まれてきたか（24） ところが、そこにわずかな「ゆらぎ」があった。水素は均等に散らばらなかった。膨張を続ける中で、ほんのわずかだが水素が濃い所と薄い所があちこち来た。まだらに散らばったのだ。膨張するにつれてそれらの濃淡がはっきりしてくる。

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物質はどうやって生まれてきたか（25） 水素が濃い場所では、互いの質量に吸い寄せられて徐々に密度が高くなり、やがてぼんやりとした雲が出来てくる。周りにある水素はその雲の引力にどんどん吸い寄せられ雲は大きくなってゆく。さらにまわりから水素が集まると中心部の密度はどんどん高くなる。