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宇宙はどこまで美しいのか(朝カル受講)その3 [講習受講]

「宇宙はどこまで美しいのか」(村山斉先生 朝カル)講義の続き

8.宇宙の自発的対称性の破れ

 重力と電磁気力は長距離に働くが、弱い力は短距離しか届かない。なぜか?

 ヒッグス粒子発見
  理論提案 1964年
  実験構想 1984年
  建設開始 1996年
  LHC開始 2011年
  ヒッグス粒子発見? 2012年7月4日

 実は加速器は、沢山動いている。(医療用を含め)
 先生はPETというがん検診を受けたそうだが、PETでは陽電子を使っているそうだ。
 反物質を医療につかっているということに驚いた。

   ヒッグスは調査が始まったばかり。兄弟・親戚がいるか? 素粒子ではないのか?

 力の大統一には、超対称性が必要。

 LHCでは見えない現象。→リニアコライダーの建設。日本は、建設候補地のひとつ。

9.自然さ

 ヒッグス粒子の質量計算は、100兆円の国家予算の中で1円の帳尻を合わせるよりも
難しい(高橋真理子)

 不自然という話だったかな? 思い出せない。

10.インフレーションと究極の美しさ

 地平線問題 ・・・ 宇宙のどこを向いても同じ温度
 平坦性問題 ・・・ 宇宙は一様等方

 インフレーションで解決 ・・・ 引っ張ってしわを伸ばす

 体積当たりのエネルギーが一定。エネルギーが体積と共に増える。
 そのエネルギーが宇宙膨張をさらに加速

 インフレーションの問題 ・・・ どうやってむらができ、銀河、星ができたか?

 小さな宇宙では、量子力学を使う
 量子のゆらぎが宇宙規模に引き伸ばされる。(100mの海に1mmのさざ波)
 粒子と反粒子が対生成されて、対消滅する前にバーっと引き離されるという
ようなことを言っていたような気がしたが、そういう意味だったのか確かめられ
なかった。質問しておけばよかった。

 
 インフレーションの証拠強まる・・・Plank衛星での観測が、理論の予想と合っている。

 インフレーションを直接観測・・・インフレーション中素粒子だけでなく空間も揺らぐので
重力波が発生する。それが、宇宙の残り火の電波に影響するので、それを見ればイン
フレーションを直接観測したことになる。
 去年ニュースになった南極での観測は間違いだったようだ。銀河のちりからの信号に
だまされたので、今度は宇宙衛星(LiteBIRD)から全天の観測を行う計画が進んでいる。

 インフレーションを起こしたのが何かを探る理論と観測もあるようだが、よく覚えていない。

 宇宙の始まりについて、ホーキングが、時間が虚数から実数に90度回転して宇宙が
始まったということを言っている。図にすると虚数の間は球で、実数にすると双曲線に
なるので、面白いと思った。

 ひも理論の話も少しあったが、よく覚えていない。

11.美しさvs多元宇宙

 真空のエネルギーについて理論の予想では大きすぎる。
 現在の宇宙は、ほとんどありえない。20倍大きすぎるだけで、星や銀河や生命
は生まれない。
 これを逆手に取ったのが人間原理。

 人間原理・・・宇宙はたくさんあり、ほとんどの宇宙は人間が存在できる条件を
満たさないが、人間がいないので観測されない。人間が存在する宇宙は観測で
きる宇宙は「ありえない」ものだけで、特殊なはず。

 
 超対称性の一番簡単なバージョンだと、ヒッグス粒子の質量は115GeV程度
 多元宇宙の一番簡単なバージョンだと、ヒッグス粒子の質量は140GeV程度
 見つかったヒッグス粒子は125GeV

 暗黒エネルギーが一定でなければ、真空のエネルギーではない。それならば
超対称性の勝ち
 → 暗黒エネルギーの性質を精密に測る。
    超対称性粒子をLHC/ILCで探す。

 すばる望遠鏡を用いて超広視野カメラ(HSC)、超広視野分光器(PFS)を通して
暗黒物質、暗黒エネルギーを究明(SuMiReプロジェクト)で観測が始められた。

 アインシュタインの言葉
  "I have deep faith that the principle of the universe will be beautiful and simple."

 宇宙は美しい!

 了


宇宙はどこまで美しいのか(朝カル受講)その2 [講習受講]

「宇宙はどこまで美しいのか」(村山斉先生 朝カル)講義の続き

4.物理法則の美しさ

 物理法則は、左右対称、鏡映対称、回転対称、並進対称、相対性

5.統一理論

いい説明の条件
 観測を説明できる
 統一的な記述
 簡潔

万有引力の法則はすばらしい。

重いものは動かしにくく(速度遅い方向)、重いものに働く力は強い(速度速い方向)
合わせると同じ速さになる。
歯切れの悪い説明で、ニュートン本人も不満だった。
アインシュタインが重力を空間の性質と捉えることで解決。

重力が強いと時間は遅れる。GPSで利用している。
Hafele-Keating実験で確かめられている。

標準理論では、ヒッグス粒子含めて17種類の素粒子がある。
基本粒子にしては多すぎないか?

大統一理論、ひも理論が考えられている

6.保存則は対称性のおかげ

 ネーターの定理 ・・・ 対称性に対応した保存量がある

 並進対称性 ・・・ 運動量保存則

 回転対称性 ・・・ 角運動量保存則

 時間の並進対称性 ・・・ エネルギー保存則
  しかし時間には原点がある。(ビックバン) ・・・ エネルギーは保存しない。
  宇宙の膨張と共に暗黒エネルギーは増えている?

 電荷や粒子数の保存は、内部空間を回す対称性。

 7.法則は美しい しかし現実は多様

 自発的対称性の破れ 南部陽一郎 2008年 ノーベル賞受賞

   系は対照的でも最低エネルギー状態は対照的でないこと。
   その場合、最低エネルギー状態が複数あり、縮退する。

  洗濯物の掛け方 最初に掛けた方向に合わせる。
 左ヒラメに右カレイ ・・・どちら向きでもよかった。
 キラリティ(黒田玲子)
   ・・・ 巻貝の巻き方は種によって決まっているが、発生初期段階で
      ツンツン突っついて巻き方を強制するとその方向に巻かれる。
      DNAで決まっているが、どちら巻きでもよかった証拠。
 D-glucoseがブドウ糖、構造が一部反対向きになっているL-glucoseは無味、消化不能

 磁石
 水蒸気が凍る(相転移→並進対称性が破れる)
 内部空間の波がそろう。(内部空間の回る対称性(電荷や粒子数の保存則))
  →超流動(重力に逆らってビーカーからあふれ出す映像)
 超伝導・・・レールの上に浮き上がるだけじゃなく、レールの下にぶら下がる映像

講義はつづく

 


宇宙はどこまで美しいのか(朝カル受講)その1 [講習受講]


 朝日カルチャーセンターで村山斉先生の「宇宙はどこまで美しいのか」(2015年1月10日)
という講習を受けてきた。

有名な先生なので、受講者は150名以上いたようで、一般の講習では入りきらず
大ホールに会場が変わった。女性は20%くらいいただろうか。
終わったあとサイン会も行われた。サインをしてもらう積もり、先生の本を持っていった
のだが、講義で疲れてしまったので、サインをもらわずに帰ってしまった。
4時間30分と長丁場だったが、今回も先生は、休み時間も質問を受け付けていて、
休んでいなかった。他の先生のときもそうだが、毎回感心する。

講義の内容は美しいという言葉を軸にしているが、結構幅広いもので、難しいところ
もあったのじゃないだろうか。
以下は、簡単に講義の内容について書きます。

1.宇宙は美しい
 最初は、宇宙の美しい写真を一杯見せてもらった。
 去年NHKの「138億年の超絶景!宇宙遺産100 」という番組を見ていたので、
そのときに見た写真と同じものも結構あった。
 私は、土星のオーロラの写真が印象に残った。これなら個人の望遠鏡でも見える
のではないかと。
 かに座星雲は、1054年に超新星爆発を起こしたものだが、藤原定家の明月記に
記録されていることで年代が分かったという話も興味深い。
 暗黒物質の重力レンズ効果で背景の星雲が細い線のように写る映像やシミュレー
ションで同じような映像が作れること。
 暗黒物質がない場合とある場合のシミュレーションで、暗黒物質がないと今のように
星が一杯ある宇宙は作れないということも紹介された。

2.美しさとは?
 有名な物理学者が、美しさについて、どのように言っているかについて紹介された。
 ファイマン、アリストテレス、アインシュタイン、ヘルマン・ワイル、ホーキング、ゲルマン。
 まとめると、

   対称性が高い
   少ない原理と定数で多くを説明
   安定感と自然さ

 ということになる。

対称性の例がいくつか示された。写真が美しい。
 富士山、エッフェル塔から見たシャイヨー宮、平等院鳳凰堂など
細かく見ると対称でないが、まずはざっくりと捉えて、細かい点は後で考えることが重要。

対称性の数え方
4角形の対称性は8つ。90度づつ回転させた対称が4つとそれを反転させたもの4つ。

円は、どんな角度で回しても変わらない、連続的な対称。対称性は1種類と2個と数える。
球は、3種類と2個と数える。
(連続的な対称性は〇種類、離散的な対称は〇個と数えていると理解したが、ちょっと自信ない。)

対称的でない物にも美しさを感じる。枯山水の例。日本的。(後の話に繋がる伏線)

3.宇宙空間の美しさ
 宇宙は、ほぼ一様、ほぼ等方、上下左右前後に並進対称性、3種類の回転対称性
 6種類の対称性と2個。

 数学では、群論を使って対称性を研究。2012年に完成。つい最近の話。
 次元Dの空間が持ている対称性の数は最大でD×(D+1)/2
 3次元空間では、3×4/2=6

 宇宙は最大の対称性を持っている。
 最大の対称性を持つ空間は、3種類ある。2次元空間で考えると球面、馬の鞍、平面
の3種類ある。観測では、宇宙は平面であることが分かっている。

 Ia型超新星爆発の観測で、宇宙の膨張の仕方が早くなっていることが分かり大騒ぎに
なった。エネルギーが増えている?、アインシュタインの間違い?、いずれ宇宙が終わる?

講義は続く


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