マット・ストラスラーが新著で量子場理論をわかりやすく解説

R現実は、しばしば最も素晴らしいフィクションよりも奇妙で輝かしいものに思えます。たとえば、アインシュタインが教えてくれたように、宇宙はゴムのように歪んだり、伸びたり、波打ったりします。しかし、地球上の乗客である私たちは、秒速 150 マイルで宇宙を旅していますが、少しも抵抗を感じません。どうしてそんなことが起こり得るのでしょうか。

これはハーバード大学の理論物理学者マット・ストラスラーが新著の冒頭で提起している疑問の一つである。 不可能な海の波：宇宙の海から日常生活がどのように生まれるか彼の答えはこうです。「椅子や木や犬や人間といった私たちの実体のある世界は、宇宙「の中に」存在しているのではなく、宇宙「そのもの」からできており、空間を構成するのと同じ波からできている」。

こうした波をどう理解すればよいのでしょうか。量子場理論がすべての現実の根底にあるとストラスラーは主張しています。量子場理論は、宇宙のあらゆるものが、私たちがよく知っている電場や磁場のように場から成り立っていることを教えてくれます。陽子、電子、ヒッグス粒子などの粒子は、こうした場の励起です。こうした場がどのように構築され、粒子を生み出すのかが、ストラスラーの本の核心です。

相対性の原理は、私たちが迷子にならないように、物語全体にアリアドネの糸のように通っています。

これらは重い概念ですが、シュトラスラー氏は、私たちが日常生活で知っている波や振動（特に音楽のそれら（彼は音楽の専門家です））と現代物理学の波や粒子との類似点を描きながら、うらやましいほど会話的な簡潔さで書いています。ところどころで、彼は直感的に感じられる簡潔で心地よいフレーズを作り出しています。たとえば、宇宙の特定の粒子に質量を与える中心となるヒッグス場を「ヒッグス粒子エーテル」と呼びます。慣性の法則は「惰性法則」です。スカラー場（温度や圧力など、空間のすべての点での値のみで定義され、方向は定義されない特性の場）は「非指向性」です。

ストラスラー氏はまた、物理学に関するよくある質問を、学生や科学者ではない友人との会話の形で提示しています。これは、楽しい物語の枠組みを提供し、初心者の読者が彼が説明している難しい概念について抱くかもしれない疑問を簡単に解決する方法を提供します。たとえば、ストラスラー氏は、すべての動きは相対的であるため、私たちは静止していると同時に動いていることができるという一見矛盾した概念について、コーヒーショップで交わした会話を詳しく述べています。あなたが立っている地面が秒速150マイルで太陽の周りを猛スピードで回っているのを感じません。物理的宇宙のあらゆる事実は、この一見単純に聞こえる相対性原理と一致していなければなりません。この相対性原理は、物語全体にわたってアリアドネの糸のように流れ、私たちが迷子にならないようにしています。

シュトラスラー氏は相対性原理と惰性法則（慣性の法則）を用いて、ヒッグス粒子に関するよくある誤解（彼が言うところの物理学上のウソ、または「フィブ」）を打ち破る。ヒッグス粒子は、しばしば脚光を浴びる素粒子である。この粒子は「ヒッグス粒子エーテル」（別名ヒッグス場）から発生するが、そのウソとは、ヒッグス粒子が一種のねっとりとしたスープであり、運動に対する抵抗力によって「物体に質量を与える」というものである。このウソが真実であれば、ヒッグス粒子が物体の速度を落とすことになるが、惰性法則によれば、実際にはヒッグス粒子は物体を惰性で動かすことになる。このウソが真実であれば、ヒッグス場は動く物体の速度も落とすが、静止している物体には影響を与えないことになり、相対性原理と矛盾する状況となる。

ストラスラーは、ヒッグス場を「硬化剤」と考えた方が正確だと示唆している。これは、さまざまな粒子の場と相互作用して、それらを柔らかい状態から硬い状態へと変える。重力場が、あちこちで揺れる柔らかい振り子を、メトロノームの精度で揺れるおもりに変えるのと同じだ。私たちが粒子と呼んでいるものそのものは、ストラスラーの用語では「波状粒子」、つまり、バイオリンやギターの弦を弾いたときに弦に現れるさまざまな調和振動モードのように、場が波打つ形で現れる現象である。

ヒッグス場は他の場の「共鳴周波数」と相互作用します。（共鳴周波数とは、場が振動し、乱されないまま放置されたときに振動する自然周波数です。）ヒッグス場は、トップクォークや電子のような高い共鳴周波数を持つ波動場と強く相互作用し、その結果、波動場は強化され、その質量はヒッグス機構から来ると言えます。対照的に、 ヒッグス場は、陽子と中性子を構成するクォークをまとめるグルーオンのような、共鳴周波数の低い波動場とほとんど相互作用しません。後者の事実は、陽子と中性子からほぼすべての質量を得る人体のような日常の物体がヒッグス粒子とほとんど関係がない理由です。それらの質量の 99 パーセントは、クォークとグルーオンの相互作用エネルギーから生じます。

不可能な海の波 この本は、物理学についてほとんど読んだことのない読者を対象としているようだ。シュトラスラーは、波や慣性など、物理学の一般書を読んだ読者の多くがすでに理解しているはずの単純な概念を、何度も繰り返して説明している。しかし、逆説的に、シュトラスラーは現代物理学の歴史の多くを省略しており、他の重要な概念を圧縮せざるを得ない。（「私もここで神話作りに加担する危険を冒している」とシュトラスラーはある脚注で認めている。「…私はアインシュタインの複雑な思想の歴史を大幅に短縮している…」）

対称性について考えてみましょう。対称性はエネルギー保存則やその他の基本的性質の存在と密接に関係しています。しかし、この本では、電磁力と弱い力の対称性の破れがヒッグス機構を生み出す理由については詳しく説明されていません。歴史的に、これはヒッグス場の発見につながる重要な発展であり、これに触れれば重要な原理が明らかになったでしょう。

それでも、宇宙の成り立ちの基本的な側面を明らかにしようとするストラスラーの努力は称賛に値し、読むのも楽しい。私たちの平凡な日常生活の中で働く場のダンスを理解することは、そこに平凡なことは何もないことに気づくことだ。ストラスラーが書いているように、私たちはみな「波動粒子の生き物」であり、「宇宙はあらゆる場所で、あらゆるものの中で歌っている」。

リード画像: orin / Shutterstock

• アッシュ・ジョガレカール

  2024年6月6日に投稿

  Ash Jogalekar はベイエリアを拠点とする理論化学者であり、科学の歴史、哲学、社会学に興味を持つ作家です。科学的発見の論理と科学と社会の相互作用に魅了されています。X @curiouswavefn で彼をフォローしてください。

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