物質はどうやって生まれてきたか

宇宙の誕生から今に至るまで、物質がどのようにして作られてきたのか。科学はそれをどのようにして解明したのか。137億年の物語を読み解く為に最低限必要な基礎知識を、猛スピードで超簡単に説明します。
科学 もはや教科書 物理学 BiSH
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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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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、、、
かねちゃん @PEACEphotohito
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)。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
かねちゃん @PEACEphotohito
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。
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コメント

ヒジャチョンダラ @citabow 2016年3月9日
『対称性の破れ』が話題になっていた頃、『禍福は糾える縄の如し』の諺の誤りが科学的に証明されたんだ! と……。いや、未だになんのことやら理解できていないんだけどさ。
nekosencho @Neko_Sencho 2016年3月9日
ビッグバン理論ことガモフのαβγ理論は、アルファ(α)さんの研究を指導していたガモフ(γとする)が公表するとき、語呂がいいからとベーテ(βとおく)氏を著者として勝手に組み入れたという逸話がある。研究の成果をβにかっぱらわれるのではないかと晩年までアルファさんは心配していたらしい
nekosencho @Neko_Sencho 2016年3月9日
長年のナゾ「アルファがベータをカッパらったらイプシロンした、なぜだろう?」を解く鍵がこのへんにあるような気がするのだがどうだろう?
LCO @f_lco 2016年3月10日
素粒子いつのまにそんなに増えてたんだ…
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月10日
まとめを更新しました。
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月10日
皆様コメントありがとう御座いますm(__)m こんな駄文にお付き合い下さり感謝です!
Dcdcxr @Dcdcxr 2016年3月10日
ビッグバンと星の一生と再生って似てるけど、ビッグバン以前がどうだったかがいつか解明される時がくるんだろうか。
藤沢 了 (a.k.a FR-Style [6/30 TK WAVE OSAKA出演]) @ray11893 2016年3月11日
アホの子なので全てがわかるわけではない。でもこの手の話はワクワクが止まらない。もっとやっちゃってください。
kkitmur @kkitmur 2016年3月11日
素晴らしい解説に脱帽しました
しゅんいちろうぜろぜろはちさん @shunichiro0083 2016年3月11日
分りやすい解説、ありがとうございましたm(__)m
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月11日
まとめを更新しました。
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月11日
コメントありがとう御座いますm(__)m とても励みになります!
労働なんかしないで光合成だけで生きたいあえとす @aetos382 2016年3月11日
長いから後で読む、って言おうとしたら「続く」だと…? 期待せざるを得ない…。
労働なんかしないで光合成だけで生きたいあえとす @aetos382 2016年3月11日
f_lco 増えてるというか、どこまでを「同じ粒子」とみなし、どこから「違う粒子」とするかですね。一般には質量と電荷が違えば別の粒子とされると思いますが、他にもスピンとか色といったパラメーターがあります。アップクォークという1種類とされる粒子でも、スピンが違えば別の粒子とみなすなら2倍、色が違えば別の粒子とみなすならさらに3倍と、どんどん増やすことができてしまいます。あまり増やしても大変なので程々にしておくのがよいみたいですw
労働なんかしないで光合成だけで生きたいあえとす @aetos382 2016年3月11日
この宇宙がトンネル効果から生まれたということは…「別の宇宙」から「宇宙のタネ」が「この宇宙」に染み出してきた、みたいな? いやしかし、その時まだ「この宇宙」は存在しないわけで、一体「タネ」は「どこ」に染み出してきたのだ? ???
鐵太郎@ただの人 @Tetsutaro2008 2016年3月11日
これ、わかりやすくていいねぇ。∠(,⌒-⌒)
ぽこた @JOJO_PON 2016年3月11日
ぜひ「場」のことも説明して欲しいのだ。素粒子というと、普通の人はおそらく原子や分子みたいに粒みたいに、最小のモノとして捉えてるんじゃないか。でも素粒子はたしか場の励起状態を指してるのであって、この世界の根本的な構成要素は場であったはず。その振動を素粒子と言ってるに過ぎないと。
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月12日
まとめを更新しました。
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月12日
ご意見ありがとう御座います。外宇宙や場の量子論、そこまで話を広げられればよいのですが(^_^;
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月13日
まとめを更新しました。(115~148)
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月14日
まとめを更新しました。(149-154)
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月14日
まとめを更新しました。(155-166)
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月14日
まとめを更新しました。(167-173)
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月16日
まとめを更新しました。(174-178)
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月16日
まとめを更新しました。(179-188)
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月17日
まとめを更新しました。(189-197)
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月18日
まとめを更新しました。(198-205)
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月18日
まとめを更新しました。(206-213)
rideox @rideox 2016年3月19日
思わず読まされました。(ちゃんと理解しているかどうかは別)いやあ、分かりやすいです。 (209)大爆笑、って思わず笑いましたが、本当に宇宙は笑っておしまいになるなら、それでもいいかも。
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月19日
まとめを更新しました。(214-233)
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月19日
rideox 読んで頂きありがとうございますm(__)m 誤字脱字多くてすみません。 209慌てて読み直して「大爆笑」してしまいました(笑)
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月20日
まとめを更新しました。(234-248)
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月21日
まとめを更新しました。(249-267)最終回
ɐɹoɐu @drierair 2016年3月21日
お疲れ様でした。 ドルオタでも清掃員でもない貴殿がここまでやりきったことに驚き、感動すら覚えています。 アイナ・ジ・エンドとはそれほどのものなのですか?
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月21日
drierair はい。地球はアイナジエンドで回ってます。
kkitmur @kkitmur 2016年3月24日
最終回まで読みました。ありがとうございました
かねちゃん @PEACEphotohito 2016年3月24日
kkitmur 読んで頂いてありがとうございますm(__)m
羽田俊雄@隻士間流師範代[-SDF-] @ATM_09_STTC 2017年6月27日
「我々は恒星の欠片で出来ている」。良いねぇ。ロマンだねぇ(^_^)
九銀@半bot @kuginnya 2017年6月27日
人間に自由な意志などない事が良く分かる
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