アインシュタイン LOVE in 東海大学 シンポジウムアインシュタインの思想世界 < 宇宙と平和 > 東海大学湘南校舎 2010 年 6 月 12 日 宇宙のはじまりと進化 梶野敏貴国立天文台 東京大学大学院 kajino@nao.ac.jp, http://www.cfca.nao.ac.jp/~kajino/
宇宙の大きさ インフレーション 潜熱が開放されて光で満たされ 対称性が破れる 素粒子が作られる ビッグバン ( 火の玉 ) 宇宙の始まり??? 0 10-44 10-39 秒 宇宙時間 宇宙の始まりと膨張 時間の始まりとは何か? スティーブン ホーキング v( 宇宙膨張 ) > c( 光速 ) 虚時間 実時間 宇宙の始まり 現在の宇宙 超大統一理論 量子重力場の理論 時間 空間もゆらぐ 星 銀河生成と世代の繰り返し
光で満ちた高温 高密度の火の玉宇宙では エネルギーが質量を持った物質 + 反物質に互いに入れ替わる! 光 光 エネルギーと質量は等価 E = mc 2 m/2 反物質 陽電子 対称性の破れ! m/2 電子 物質 いいね まじ簡単! 画期的!
素粒子の標準理論宇宙に存在するすべての物質をかたち作る究極の素粒子と力を伝える粒子たち 物質粒子力を媒介する粒子質量を作り出す粒子 1967 1974 1995 +G?? 1967 1964 1977 三世代 電磁気力 弱い力 ( 強い力 ) 核力 重力 なぜ物質に質量があるのか? 自発的対称性の破れ (1961) 南部陽一郎 宇宙は何から作られているのか? 素粒子の標準理論 (1973) 小林誠益川英敏
動的な対称性を破ると ものごとは変化する けたぐり 下手投げ ガップリ四つ 対称性がよい ( 高い ) 静止状態 対称性を壊すと 大きな変化がおこる 真空は熱に満ち 素粒子誕生
膨張する宇宙とは何か? 火の玉 初期宇宇宙 冷たい宇宙 近くの銀河 天の川 X, y, z 軸の長さそのものが 時間とともに伸びること Albert Einstein (1879-1955) 一般相対性理論 (1915) 遠くの銀河
ビルコッフの定理 : 物質が一様に分布している空間では 粒子に働く重力は 球の質量が中心に集中しているとした場合の重力と等価である 半径 r X M 質量 m の粒子 密度 の一様で等方的な物質の分布 球の質量 = 密度 x 体積 M = x 4/3 r 3 ニュートン方程式 E 1 2 m mv r Ý 2 GmM r 1 2 m r Ý Gm[(4 / 3) r 3 ] mv 2 r 2 v r Ý r (1/2m) r 2 8 3 G 2 E mr 2 E
アインシュタイン方程式 ニュートン方程式 G 00 8 GT 00 g 00 宇宙項 v a 2 = H 2 8 3 G k a 2 3 k = 空間の曲率 = -1, 0, +1 2 r v Ý r 2 8 3 G 2 E mr 2 ハッブルパラメータ H = v / a = v / r -k = E/m 符号が反対 a ( 宇宙のスケール ) = r ( 球の半径 ) アインシュタイン方程式 ( フリードマン方程式 ) は 重力が弱い極限で ニュートン方程式を再現する
アインシュタインの一般相対性理論は正しかったのか? My greatest blunder! (1920 年代 ) 宇宙項 =Λ を考えたのは一世一代の過ち! ( 暗黒エネルギー ) 実は 私は正しかったのかもしれない! 大問題 : 宇宙項 =Λ( 暗黒エネルギー ) の正体は不明!
膨張する宇宙の証拠 互いに遠ざかる銀河 ( ハッブルの法則 ) を発見 (1919) エドウィン ハッブル (Edwin Hubble) 火の玉宇宙の名残である宇宙背景放射を発見 (1965) ペンジャス & ウィルソン (A.A. Penzia & R.W. Wilson) 宇宙背景放射の温度揺らぎを発見 (1992) スムート & マザー (G. Smoot & A. Mathar) 火の玉宇宙の名残である宇宙背景放射を予言 (1948) 火の玉宇宙での元素合成の予言 (1948) ジョージ ガモフ (George Gamow)
George Gamow の夢 (1948) 火の玉宇宙は巨大な核融合炉 水素からウランまで全ての元素を作りたい! 天文観測で重水素 ヘリウム リチウム等の核融合生成元素を発見! ビッグバン火の玉の証拠! しかし 夢は破れた! 梶野の夢 (1989) Gamow の夢は正しいのではないか? ゆらぐ火の玉宇宙でウランまでの重元素を作りたい! 宇宙背景放射ゆらぎの発見 (1992) の3 年前の予言
ゆらぐ火の玉宇宙の中での核融合 Kajino and Boyd, ApJ 359 (1989, 1990) 267 ベリリウム 9 Be 太陽近くの 若い星々 梶野理論の予測 (1989) ハッブル宇宙望遠鏡 10000 倍以上の違い! ガモフ理論の予測 (1948) 年老いた星 時間 若い星 すばる望遠鏡
ブロア城で開催された国際会議 宇宙論と元素の起源論 にて 梶野敏貴 ゆらぎ宇宙論仮説 (1989 年 ) ジョージ スムート 2006 年度ノーベル物理学賞受賞宇宙背景放射ゆらぎの発見 (1992 年 )
初期宇宙は何故ゆらいでいたのか? スムート & マザーが発見した宇宙背景放射ゆらぎ 暗黒物質暗黒エネルギーの正体は何か? 38 万年 137 億年 スーパーコンピュータを用いた宇宙構造形成過程のシミュレーション 未知の暗黒エネルギー 73% と暗黒物質 23% を仮定すると 観測されている現在の宇宙構造がうまく再現できる
宇宙は加速的に膨張している! ダークエネルギーを仮定すると説明可能 宇宙の 宇宙の膨張と進化 現在 始まり 銀河や星が構造を作る! ダークマターを仮定すると説明可能
宇宙のエネルギー 質量は 何が担っているのか? 宇宙というパイの作り方 暗黒エネルギー ( 宇宙項 )? 暗黒物質? 普通の物質はたったの 4%! 未知の暗黒エネルギー ( 宇宙項 ) 普通の物質 未知の暗黒エネルギーと暗黒物質で満ちた宇宙に生きることは 得体の知れない素材でできているパイを食べるようなもの 未知の暗黒物質 科学者は 暗黒の謎 を解きたい
余次元 (5 次元 ) 宇宙モデル 私たちの 5 次元宇宙モデルでは 宇宙項 =0 すなわち リサランドール 暗黒エネルギー =0 でも観測 ( 宇宙の加速膨張 ) を説明 することができるのではなか 暗黒物質一元論の提唱 重力作用をになう暗黒素粒子の質量エネルギーが 3+1 次元の宇宙と余次元 (5 次元 ) の間で交換されると考える 暗黒素粒子は超対称性粒子! (LSP) Dark Radiation term = q = adjustable parameter
なぜ高い次元 (5 次元以上 ) が必要なのか? 2 次元平面 3 次元空間 射影は高次元の対象物の情報を全ては伝えられない リサ ランドールワープする宇宙 5 次元時空の謎を解く (NHK 出版 2007 年 )
現代宇宙物理学の到達点 究極の問い! 超大統一??? 基本的な力の統一理論を構築し 宇宙開闢と物質創生の謎 宇宙進化の謎を解明したい! 弱電統一! 大統一! 電気力 磁気力の統一マクスウェル (1864) 電磁気力 弱い力の統一ワインバーグ サラム (1973) 電弱力 強い力の大統一! ゲージ理論未完成 重力の超大統一??? 超ひも 超対称 超重力理論 重力 電磁気統一! 電気力 + 磁気力 弱い力 核力 ( 強い力 ) 高い次元 (5 次元以上 ) の時空が必要
スイス ジュネーブ郊外のセルン原子核研究所 素粒子どうしを衝突させてビッグバン初期宇宙と同じような高温高密度状態を作り出し 反物質を作って集め 磁気力で隔離 大ハドロン衝突加速器 LHC 素粒子 (SUSY, Higgs) ハンティング 暗黒物質の発見高次元時空の検証ミニ ブラックホール生成 反物質は 物質と出会うと瞬時にして消滅し光になり 巨大な熱エネルギーを解放する 反物質 反物質の消滅を兵器として使う! 天使と悪魔 E = mc 2 人類の希望の方程式悪魔の方程式
宇宙 ( 時間 空間 ) と物質 ( 人間 ) 世界 豊かな素粒子 原子核の世界物質 人間の起源? 大陸都市人間つめ 地球銀河宇宙大構造 神秘に満ちた広大な宇宙 時間 空間の起源? 細胞 素粒子原子核原子 DNA
鉄 コバルト ニッケル梶野敏貴 ( 東大 天文台グループ ) 超新星で合成されることを証明 森田浩介グループ ( 理化学研究所 ) 新元素 113 番を発見 トリウム ウラン 113
ピエールキューリー マリーキューリー 19 世紀末 ~20 世紀 現代科学の夜明け 放射能の発見 ベクレル (1896) 放射性元素 ( ラジウム ) の α 線 β 線 γ 線 単体分離に成功マリーキューリー (1902) 人間 物質を形作る究極の 粒子発見のステップ ラジウム ウラニウム α 線 (He 核 1911 年ラザフォード ) β 線 ( 電子 1897 年 トムソン ) γ 線 ( 電磁波 X 線 1895 年 )
量子力学では因果律が破れているのかマックスボルン? 波動関数の確率解釈の提唱 神はさいころをふらない 決まってはいるが 人間には分からないだけ 不確定性は神の原理 すべてを波で説明しようとこだわりすぎると矛盾が生じる この際 電子があるときは粒子で ある時は波だと二面性を認めてしまおう そもそも場所と運動を同時 に決定することはできない アルベルトアインシュタイン マックスボルン オリビアニュートンジョン歌手 ボルンの孫ニールスボーア
太陽は巨大な核融合炉 人類にとっての天恵! ミクロな世界の法則 量子論 粒子 = 確率波 が 太陽内部で 核融合を引き起こし 人間を形づくるさまざまな元素を作りだす 太陽はなぜ輝けるのか? クーロン力障壁 陽子は波でもある 陽子 陽子 太陽中心付近で 核融合が起きている ある確率で壁を透過した陽子 0 距離 陽子どうしの間にはクーロン反発力によるポテンシャルの壁ができ ある距離以内に近ずけないけれども 波としてある確率で壁を透過し核融合を起こす
小柴昌俊東京大学名誉教授 2002 年ノーベル物理学賞受賞 超新星 1987A からの素粒子ニュートリノを人類史上 ニュートリノは超新星内部で起きた 重元素ウラニウムは 原子核 素粒子反応の確かな証拠! 星の大爆発で作られるか! 初めて補足 ニュートリノ天文学を拓いた功績に対して 陽子電子中性子ニュートリノ 超新星 1987A
超新星爆発の数値計算機シミュレーションアダム バロウズ ( プリンストン大 ) QuickTime and a YUV420 codec decompressor are needed to see this picture. 10 km 300 km
約 100 年前のラジウムやウラニウムからの放射能の発見が 量子論を生みだした 量子論が現代科学 ( 原子核 素粒子物理学 固体物理学など ) の基礎を拓き 20 世紀の物質文化が開花 マリー キューリー β 線 α 線 γ 線 100 年間の疑問 重元素 ウラニウムは 宇宙のどこでどのように作られたのか? 21 世紀 解明 超新星爆発でのニュートリノの反応で作られた! ウラニウム 梶野の夢 (1989) Gamow の夢は正しいのではないか? ゆらぐ火の玉宇宙でウランまでの重元素を作りたい! 宇宙背景放射ゆらぎの発見 (1992) の3 年前の予言
世界は何から作られているのか? 古代ギリシャ ( デモクリトス ) 目に見えないがそれ以上分割できない世界要素 = 原子 (ATOM) 20 世紀 原子は 原子核 ( 陽子 + 中性子 ) と電子からなり 分割できる 人間 つめ? 陽子 電子 細胞 中性子 原子核 DNA 究極の素粒子? 原子核 原子
ガリレオ ガリレイ (1610) 望遠鏡の発明 ロバート フック (1665) 顕微鏡の発明 巨大望遠鏡と巨大粒子加速器が 宇宙および極微の世界を覗く科学的な道具! すばる望遠鏡 陽子 反陽子 地上でリトルバンを起こし 高エ ネルギー密度の火の玉を再現 巨大粒子加速器
陽子 (= 人間の体を構成する要素 ) の中から 赤 青 緑の 3 種類の色を持つ素粒子 クォーク が飛び出してきた! クォークは 6 種類の香りを持っている 私たちを作る素粒子ビッグバン初期宇宙の真空中を飛び交っていた素粒子
素粒子の標準理論宇宙に存在するすべての物質をかたち作る究極の素粒子と力を伝える粒子たち 物質粒子力を媒介する粒子質量を作り出す粒子 1967 1974 1995 +G?? 1967 1964 1977 三世代 電磁気力 弱い力 ( 強い力 ) 核力 重力 なぜ物質に質量があるのか? 自発的対称性の破れ (1961) 南部陽一郎 宇宙は何から作られているのか? 素粒子の標準理論 (1973) 小林誠益川英敏
陽子の中の真空! 物質と宇宙の神秘的な結びつき 新しい粒子の生成 私たちの体の中に ビッグバン初期宇宙の 真空があった! クォーク対の生成 E = mc 2 陽子の中の小宇宙では 量子力学の原理によって 究極の素粒子クォークやグルーオンの エネルギー密度が揺らいでいる また クォーク閉じ込め対称性 カイラル対称性 (π 中間子 私たちの体は ビッグバン宇宙のかけらでできている! の質量の起源 ) などが回復している 真空の性質が ビッグバン宇宙の初期にそっくり!
自然の階層性 宇宙の法則はどこまでもミクロな世界の法則で成り立っている 自然は ちょうど ウロボロスの蛇が自分の尾を飲み込むような形で作られている ( グラショウ ) 宇宙の法則 小さな物質 世界の法則 人間 物質世界 ( 人間 ) と宇宙 ( 時間 空間 ) の統一
地球銀河宇宙大構造 大陸 人間を形づくる究極の エレメント は何か? 人間の体の中にあるミクロな世界の ゆらぎ 都市 人間 137 億年前のビッグバン初期 宇宙の ゆらぎ 素粒子原子核原子 DNA つめ細胞 宇宙の果てに見つかった ゆらぎ の起源は何か? 火の玉小宇宙の量子的ゆらぎが宇宙の膨張で引き伸ばされた! 私たち人間はビッグバン宇宙のかけらで作られている!
四つの力は統一 対称性が破れる 四つの力が分岐 ゆらぐ初期宇宙 豊かな宇宙構造形成 時間の始まり宇宙進化現在 0 時間 光に満ちた火の玉宇宙 2g ( 光 ) 物質 + 反物質 対称性の破れ : 物質 >> 反物質 物質でできた宇宙 物質粒子である陽子も 10 30 年で崩壊する
時間 空間と物質 ビッグバン宇宙論として統一 宇宙論 量子論 ( 一般相対性理論 ) ( 素粒子 原子核 場の理論 ) A. Einstein M. Planck