物理学者・野村泰紀が語る重力だけが特別な理由

TL;DR

重力は電磁気力より約40桁弱い一方、引力しかなく、物質が増えるほど効果が足し合わされるため天体や宇宙では重要になる。一般相対性理論では重力は通常の力ではなく、量子効果が重要な微小領域では弱すぎるため、標準模型に含まれなくても実用上は困らない。

Transcript

クロスディグワンオンワン始まります。今回のテーマは重力だけが何かおかしいです。うん。うん。 [音楽] ゲストをお呼びしましょう。カリフォルニア大学レイコ教授の野村安典先生です。よろしくお願いします。 [音楽] あ、どうもよろしくお願いします。 はい。もう大人気物理学者野信野村先生で [音楽] あの今日はちょ力をテーマにがっつり後半にやっていこうかなと思います。 そうね。かなり後派ですよね。後派ですね。 [笑い] もう後派なクロスグですから。 素晴らしい。素晴らしい。 はい。しかもなんかおかしいというか、あの、ウルトラサイスって番組をやってて、中力の話になるんですよ。 で、私やっぱりインタビュー人してて、あれなんかここの概念ってちょっと謎だなっていうことに気づくことが、ま、普段、ま、経済の番組... Read More

Key Insights

• ・重力は電子と陽子の間では電磁気力より約40桁弱く、素粒子の計算で無視しても、その違いを測定できる実験精度が存在しないほど小さい相互作用である。
• ・重力は引力しかなく、電磁気力の正負のように互いを相殺する性質がないため、多数の粒子が集まると個々の微弱な効果がそのまま足し合わされる。
• ・重力は微小な粒子の世界では重要でないが、地球や太陽系、銀河、宇宙のように膨大な物質が集まる規模では無視できない支配的な働きになる。
• ・素粒子の標準模型は重力を含まないが、素粒子現象に対する重力の影響が極端に小さいため、重力がなくても実際の計算や観測では問題が生じない。
• ・量子力学は二重スリットを通る電子を、上の経路を通る世界と下の経路を通る世界の重ね合わせとして記述し、その干渉から観測分布を導く。
• ・量子効果は構成粒子が増えるほど全粒子がそろって干渉する確率が急速に低下するため、人間や日用品のような大きな物体では事実上観測されない。
• ・量子力学が重要な微小領域では重力が弱く、重力が重要な巨大領域では量子効果が落ちるため、両者を統一しなくても現代物理学は実用上機能する。
• ・重力は一般相対性理論では通常の力として記述されず、重力の強さを表す重力質量と動きにくさを表す慣性質量が一致する特殊性を持つ。

Questions & Answers

Q: 重力は電磁気力よりどれほど弱いのですか？

電子と陽子の間で比べると、重力の強さは電磁気力より約40桁小さいと説明されている。この差は、素粒子現象を重力なしで計算した場合のずれが40桁目ほどにしか現れないことを意味し、その精度で測定できる実験はないため、通常は無視できる。

Q: 重力は極端に弱いのになぜ重要なのですか？

重力には電磁気力の正負のような相殺がなく、質量を持つものの間で引力として働くためである。一個一個の効果は極端に弱くても、物質が大量に集まれば単純に足し合わされる。地球、太陽系、銀河、宇宙の規模では蓄積した効果が大きくなり、運動や進化を考えるうえで無視できない。

Q: なぜ素粒子の標準模型に重力が入っていないのですか？

素粒子の領域では重力が電磁気力に比べて約40桁も弱く、重力を省いたことで生じる差を実験で確認できないからである。また、重力を表す一般相対性理論には量子力学の効果が組み込まれておらず、完全な形で標準模型の枠組みに入れること自体も難しいが、実用上は支障がない。

Q: 二重スリット実験では電子に何が起きるのですか？

割ることのできない電子を一個ずつ送っても、二つのスリットを開けると波のような干渉模様が蓄積する。片方を閉じれば到達する場所が変わるため、量子力学では上を通る世界と下を通る世界が重ね合わされ、互いに影響した結果として観測分布が生じると記述する。

Q: なぜ人間や日用品では量子の重ね合わせを感じないのですか？

多数の粒子でできた物体では、異なる状態同士が影響するために、構成する粒子がそろって干渉しなければならないからである。一粒子の干渉確率を10％と仮定すると、二粒子では1％、三粒子では0.1％と小さくなり、膨大な粒子からなる人間では事実上起こらない。

Q: 量子力学と重力を統一しなくても困らないのはなぜですか？

量子力学の効果が顕著な小さな領域では重力が極端に弱く、重力が重要になる大きな領域では多数の粒子によって量子干渉が事実上失われるからである。そのため、大きな系には一般相対性理論を使い、その背景上の量子現象には曲がった空間での場の量子論を使うことで対応できる。

Q: 一般相対性理論では重力とは何ですか？

一般相対性理論では、重力は電磁気力や弱い力、強い力と同じ種類の通常の力ではないと記述される。重力は時空自体の性質として扱われるため、粒子と力を場の量子論で記述する他の相互作用の枠組みに、そのまま組み込むことが難しいという特殊性がある。

Q: 重力質量と慣性質量が一致するとはどういうことですか？

重力質量は物体にどれだけ重力が働くかを表し、慣性質量は同じ力を加えたときの動きにくさを表す。本来は役割の異なる量だが、金、銀、プラスチック、人間など物質の種類にかかわらず一致するため、ニュートンの運動方程式と万有引力の式では質量が消え、同じ重力加速度が得られる。

Summary & Key Takeaways

• 重力は、人類が早い段階で発見した身近な相互作用でありながら、素粒子の標準模型には含まれていない。電子と陽子の間では電磁気力より約40桁も弱く、素粒子実験で生じる重力のずれを測れる精度もないためである。一方、電磁気力などと違って重力には相殺する反発側がなく、物質が集まるほど効果が単純に加算される。そのため地球、太陽系、銀河、宇宙の規模では無視できない存在になる。

• 量子力学では、電子を二重スリットへ一個ずつ送っても、両方の経路が開いている場合には干渉模様が現れる。これは上を通る世界と下を通る世界の重ね合わせが互いに影響する形で記述される。しかし、多数の粒子からなる物体では、すべての粒子がそろって干渉する確率が急激に小さくなるため、日常的な物体では量子効果を感じない。重力が重要になる大きな系ほど、この量子効果は表面に現れにくい。

• 重力が支配的になる領域と量子力学が顕著になる領域は通常分かれているため、大きな系には一般相対性理論を、微小な系には量子論を使えば実用上は対応できる。ただし、世界の基本が量子力学であり重力も存在する以上、両者を統一する量子重力の規則があるはずだと考えられる。さらに一般相対性理論では重力は通常の力として扱われず、慣性質量と重力質量が一致するという特異な性質も統一を難しくしている。