重力レンズ現象は神様がっくった隠し絵 ! ? ・ 重力レンズ現象を逆解きする・・・ 118 「 SuMIRe 」計画・・・ 120 暗黒物質のベストショット ! ? ・ 暗黒物質の姿・・・ 124 それは大惨事か、天体ショーか ? ・ ・・ 122 ・・ 126 ・・ 116 0 第 4 章 宇宙はどんな法則に支配されているのか ? ・・ 134 ひもが物質とカの起原をも統一 ! ? ひもの振動の仕方で素粒子が変わる・・・ 156 すべてのものは、ひもからできている ? ・・・ 154 重力の謎・・・ 152 大統一理論の予言・・・ 150 対称性の自発的破れ・・・ 148 大統一理論・・・ 146 そろいもそろって 3 つずっ・・・ 144 クオークのべールをはがす日本人研究者・・・ 142 「クオークモデル」の登場・・・ 140 ガチンコ実験が異次元のしつばをつかむ ! ? ・・・ 138 粒子の衝突から新たな粒子が飛び出す・・・ 136 原子 100 種類では多すぎる ? ・ 物質は何からできているか・・・ 132 究極にミクロな世界にある・・・ 130 巨大な宇宙を解き明かす力ギは、 D プレインとは ? ・・・ 168 ひも理論誕生の奇妙なヒストリー 高次元時空とは、どんなところ・ ひも理論の驚くべき予言・・・ 162 ひも理論は究極の統一理論か ? ・・ 166 ・・ 164
宇宙地図にあぶり出された暗黒物質・・・ 60 宇宙の約 96 パーセントは謎の物質・・・ 62 「普通の物質」の半分も、どこにいるかわからない・・・ 64 「なにかへンだぞ ! 」から暗黒物質へ・・・ 66 暗黒物質の立体地図・・・ 68 高性能望遠鏡はアイデアの熟成装置・・・ 70 ビッグバンをとらえる究極の重力波望遠鏡・・・ 72 観測手段のない「暗黒時代」を見に行く・・・ 74 暗黒エネルギー、暗黒物質もインブット・ ・・ 76 暗黒物質があったおかげで星ができ、私たちがいる・ ・・ 78 シミュレーションの精度を証明するカギ・・・ 80 宇宙の進化のシュミレーション・・・ 82 宇宙人のルーツ、ファーストスターに迫る・・・ 84 自然は必ず、謎を用意してくれている・・・ 86 天の川銀河の中心に巨大ブラックホールが存在する・ プラックホールは銀河誕生に欠かせない存在だった ? ・・・ 90 宇宙の運命はどうなるのか ? 第 3 章 宇宙の終わりの予言「ビッグ、リップ」・ ・・ 94 重力 vs. 暗黒エネルギー・・・ 96 暗黒エネルギーに近づく手がかりは ? ・・ ・ 98 一般相対論・・・ 100 物質が存在すると空間 ( 時空 ) が歪む・・ ・ 102 宇宙項・・・ 104 地動説に匹敵する「膨張する宇宙の発見」・・・ 1 。 6 宇宙の膨張速度の調べ方・・・ 108 第 2 のインフレー ション・・・ 110 暗黒エネルギーをめぐるいろいろな説・・・ 112 暗黒エネルギーは、時間進化する ? しない ? ・ 4 0 0 0 ・・ 114
おそるべ されたのは 19 世紀から 20 世紀にかけてのことですから、 ですね。 き先見の明 人類はそんな昔から、物質が何からできているのか知りたいと思い 続けてきたわけですね。 しかし、これで話は終わりませんでした。中学か高校で手にした化 学の教科書を思い出してください。物質の元になる原子が 100 種類以 上並んだ周期律表が載っていたと思います。この世に存在する数えき れないくらいたくさんの物質がたった 100 種類程度の原子で作られて いるという発見は、それはそれで画期的であるといえますが、物質の 最も基本的な材料が 100 種類以上もあるのかと思うと、 という気がしませんか ? 複雑すぎる 周期表 興型非金第元素 7 N 8 0 5 B 6 C 9 10Ne 2 3Li 4Be 興型金属元素 フッ第 リつム尾リりつム 13 14Si 15P 16S 170 18. 3 11 Na イ 2M 当 アル i : つム ケイ第 31 Ga 32G ・ 33As Se 4 第 V 24 Cr % Mn 部 Fe 2 プ CO 囲 Ni 四 Cu Zn 35Br 19 K Ca ガリつムゲ、マニつム カルンっム スカンノつム チタン タ 0 ム 40Zr41Nb42Mo 44Ru 45Rh 46Pd 47Ag48Cd 血 Sn 引 Sb 52 Te 53 1 54Xe 5 37Rb S 「 インリつム 、リプデンテクネチつムルナニウム バラジつム ルビジつム スト 0 ンをつ イットリつム ジル】 : ウみニオプ ロリつム Po At Rn 6 81 盟能 Pb 83Bi 74W 75R 760S 771r ? 8 円 79A ⅱ Cs 聞 Ba 引 -71 72 Hf 73 Ta つン′ / イド ツ、フニつムタ第ル タングスチンレニつすス ! つイリンっム パリつム ラ当 107Bh 1 的 M ー 110 R を 87Fr uRa 104Rf 105Db 89 ・ 1 ザ′ーリつムドフニつム レ - 第一 フ、ンンっうム ′クをノイド ーツ HO æEr 69Tm 加プ 1L ・ - 要 ~ La 隧 Ce 地 Pr Nd 61 Pm 62 Sm 設図 Gd Tb プラ第リムネ考ソムプ 0 メチワムラマりウム】ー 0 ビつムガドリ : ? ムル′つム まリつム BCf 的見 & Fm1MM NO 1ßLr ま 91Pa QU ßNp 94Pu95Am%Cm97Bk Ac Th カリ事ル : つムンス ! ・ : ? フェ、ミつメンデレピ ? & ノ - ペリつム 0- レンンウムノ 1 、ト ! に ? 、つランブッ二 了クチニ ? ムトリつ 常湯・常圧における単体の状第 2 3 4 5 6 ビスマス イ 0 ニつム アスタチノ 7 7 をス 133
第 4 章宇宙はどんな法則に支配されているのか ? て で で せ 合 み の ク オ ク ン ロ の て べ す 「クオークモデル」の登場 粒子加速器を使った実験などで数百種類もの新しい粒子が発見され、 物理学者たちは驚くと同時に頭を抱えてしまいました。これではあま りにも複雑すぎます。何とかしなければなりません。 この難問にあっと驚く答えを見つけ出したのが、ゲルマンとッヴァ イクです。 2 人は 1964 年ごろ、独立に「クオークモデル」と呼ばれる 画期的な理論を提唱しました。それによれば「陽子、中性子やその後 見つかった数百種類もの新しい粒子 ( ハドロンの仲間 ) は、クオーク と呼ばれるさらに小さな粒子に分割できる」というのです。そして、 クオークには、アップクオーク、ダウンクオーク、ストレンジクオー クと呼ばれる 3 種類があり、「すべてのハドロンはこの 3 種類のクオー ク ( およびその反粒子 ) の組み合わせで構成される」としたのです。 彼らはこのクオークという粒子を、実験で見つけたわけではなく、頭 の中で考え出しました。これらの 3 種類のクオークの存在を仮定する と、数百種類のハドロンの性質がすっきり説明できるということを見 出したのです。 彼らが、じつにうまく考えたなということを分かってもらうために 具体例で説明しましよう。例えば、陽子は 2 つのアップクオークと 1 つ のダウンクオークからなり、中性子は 1 つのアップクオークと 2 つの ダウンクオークからできていると考えます。 , こで注目すべきこと は、アップクオークとダウンクオークの電荷が、電気素量を単位とし て、それぞれ + 2 / 3 と一 1 / 3 という中途半端な数であるということです。 140
第 2 章宇宙は何でできているのか ? プラックホールは銀河誕生に ・。欠かせない存在だた ? 2 。 銀河中心の超巨大ブラックホールに秘められたシナリオ これまでのプラックホールの研究で、見えてきたことは何ですか ? 2000 年からいままでの観測によってわかってきたことは、プラック ホールの質量と銀河の質量がある種の比例関係にあるということです。 図 1 を見てください。これは縦軸がプラックホールの質量、まあ大き さといってしまいましよう、横軸は銀河の大きさを示しています。大 きな銀河は、それなりに大きなプラックホールが、小さな銀河はやは りそれなりの大きさのプラックホールを抱えています。きれいにそろ っていますね つまり、どういう意味ですか。 銀河はプラックホールより 3 桁も 4 桁も大きいのです。ざっくりいう と百分の 1 とか千分の 1 です。銀河にとって、プラックホールの存在は、 そんなに気にとめるほどの存在ではないはず。ところが両者は、お 互い示し合わせたように比例している。そんなにそろわなく てもいいじゃないかというほど。 , こにはなにかおもしろそうなシナリオがありそうです。 もうーっ、興味深いデータをお見せします。図 2 は、 137 億年の宇宙 の歴史で、いつごろ銀河がどれくらい誕生したか、プラックホールが どれくらい生まれたかをみたものです。宇宙の若々しさを観 ラ則したテ : ータといってもいいでしよう。カープが上に行くほど、 90
第 3 章宇宙の運命はどうなるのか ? 0 。宇宙の膨張速度の調 ~ 方ン I a 型超新星のおもしろい性質 宇宙の膨張が加速していることは、なぜ分かったのですか ? 遠くの宇宙でひときわ明るく輝く超新星を観測し、宇宙の膨張を詳 I a 型と呼ばれるこ しく調べていた科学者によって発見されました の超新星はおもしろい性質をもっていて、どれもみな ( ほば ) 同じ明 るさで光っているのです。まるで規格がそろった 100 ワット の電球みたいです。 しかし、明るさが同じ電球でも、遠く離れたところにあれば暗く見 え、近くにあればより明るく見えます。 10 個の電球が輝いていて、見 た目の明るさからそれぞれの距離をあててみてくださいといわれた場 合、電球の本来の明るさが分かていれば、そんなに難しい 言十算をしなくてもそれぞれの電球までの距離はわかりそうですね。 宇宙の膨張が加速していることと、どう結びつきますか 杉山先生の話 ( 第 1 章 ) を思い出してください。星からの光は、 その星から出発した光がようやく地球に届いて観測されたものでした ね。つまり、昔の星の姿、輝きを見ていることになります。 上の電球の話のように、たとえば 100 億光年かなたの I a 型超新星 を探して、どれくらいの明るさ ( 暗くなって ) で見えるかが分かれ ば、その時代の宇宙の超新星までの距離が分かることになります。ま た、膨張宇宙では、ある時代の超新星までの距離は、宇宙がどのよう な膨張の歴史を経てきたかによって決まります。 108
第 5 章そもそも我々はなせ存在するのか ? 0 の矛盾こそ大発見 ! ? 。 0 世界最先端の研究者たちの素顔 (I) 研究者にとってのエネルギーはなんでしよう。 古代から変わらないのは、奇妙な現象や矛盾です。とくに矛盾は魅 力的です。いままでの考え方が間違っていたことが、わかるわけです から。それはほんとにすごい大発見です。いまの理論と実験データに 矛盾があるとはっきりしたら、新しい粒子が隠れているのではないか とか、いままでの自然法則の考え方まで間違っていた可能性がでてく るわけです。これはわくわくしますよ。 また、研究の最先端をゆく学会、研究活動などに参加して、自分の 論文をアヒ。ールすることも、次の研究へのエネルギーにつながります。 いまは、すぐれた論文を書けばみんなが読むという時代ではありませ ん。おそらく天文、素粒子物理分野だけで、毎日 100 本以上の論文が 発表されているはずです。競争も激しく、数日違いで同じような論文 が発表されることが当たり前のようにくり返されています。ですから、 研究成果を評価してもらうために、積極的に最先端の研究所や会議に 出ていって、自分の研究をアヒ。ールし、論文を発表したいのです。そ の結果、他の研究者から数多く引用されることが、論文の一つの評価 となり、次の研究のエネルギーになるのです。 IPMU には、年間 11 か月以上は日本にいてはいけないとい うポリシーがあります。少なくとも年間 1 か月は海外でということで す。理由は、日本にこもってどんなによい研究成果を出しても、アメ 190
第 1 章宇宙はどのように始まったのか ? 。◎プアデス星団から見た日本は◎ 戦国時代 宇宙からの光を逆にたどる旅② では旅を続け、太陽系の外へ出かけていきましよう。地球にいち ばん近い恒星へは光で 4.3 年になります。恒星が集団化しているのが、 星団です。よく知られる星団には、冬の夜空に見える「すばる」、ま たの名をプレアデス星団があります。肉眼でも条件がよければ、 4 、 5 個の星を見ることができますが、双眼鏡でのぞくと、宝石箱をひっく り返したような美しい星々が見えますので、ぜひ一度ごらんになって ください。プレアデス星団は、実際には数百個から 1 千個くらいの星 からなり、 440 光年の距離にあります。つまり、今、地球に届く光は 440 年前のものなのです。ですから仮に、プレアデス星団に高度に発 達した文明を持つ宇宙人がいたとして、いまこの瞬間、超々高 性能望遠鏡で地球上をながめたとすると、地球は大航海時代の真っ ただ中です。日本に望遠鏡を向ければ戦国時代、織田イ言長が天下 を取るべく数々の戦いを勝ち進むようすを見ることができるはずです。 440 光年の距離に隔てられているプレアデス星団から見る地球も、私 たちが見るプレアデス星団も、過去の姿なのです。 星や星団の集まりが銀河です。私たちの天の川銀河には、だいたい 2 千億個の星が集まっています。 4 2 千億個 ! いったい、どうやって数えたのですか。 地球から天の川銀河の中心までは距離にして約 2 万 5 千光年ほどあり 14
第 2 章宇宙は何でできているのか ? 「ホンマかいな ! 」から宇宙の構造へ 4 宇宙も三つ子の魂百まで ! ? よくいらっしゃいました。杉本先生のお話 ( 第 1 章 ) は「宇宙はど のように始まったのか」でしたね。どんな感想をお持ちになりました オギャーと生まれたとたん、じつにいろいろなことが起きていて驚 きました。 まさにその通りですね。あとでお話ししますが、誕生から 3 億年こ ろまでに、宇宙はその後つくられる星や銀河の準備をしているのです。 宇宙を 100 歳の人にたとえると誕生から 3 億年は 2 歳ちょっとです。宇 宙が生まれて間もない時の性質がその後の宇宙のでき事と深く関わっ ているということから、「三つ子の魂百まで」ということわざを思い ます。 吉田先生には「宇宙は何からできているか」についておうかがいし たいと思いますが、小さい頃から天文に興味があったのですか 小学生時代は、いわゆる天文少年でした。大学へ進んでロケットや 飛行機に関する航空宇宙工学を学びました。しかしェンジニアとし 自分には不向きかなと思い、 て物事を精緻に調べる学問は 大学院からサイエンスの道を進み応用数学を学びました。天文学へ進 んだのは博士課程からです。 56
第 4 章宇宙はどんな法則に支配されているのか ? 原子 100 種類では多すぎる ? 自然を支配する物理法則は、もっとシンプルなはすた 「 100 種類ちょっとの原子が、この世に存在する物質の全てを作り上 げている最も基本的な構成要素である」という考え方は、 20 世紀に入 って大きく変わりました。じつは、原子はさらに細かい粒子に のです。 まず、 19 世紀の終わりに「電子」という負の電荷を持った小さな粒 子が原子の中に含まれていることが分かりました。そして、 20 世紀に なって、放射線を原子にぶつける実験をしているうちに、原子の中心 付近に正の電荷を持った「原子核」という塊があることが分かりまし た。原子はこの原子核とそのまわりをぐるぐる回る電子で構成される ことが分かったのです。さらに、その後の研究で、「原子核」は「陽子」 と中性子という粒子がいくつかくつついてできたものであることが分 かりました。 電子、陽子、中性子というたった 3 種類の粒子で、すべての物質が成 り立っていることになりますね。 そうですね。シンプルで美しいと思いませんか。 100 種類以上あっ た原子はすべてこの 3 種類の粒子の組み合わせでできています。原子 の種類の違いは、原子の中に含まれる電子、陽子、中性子の数の違い として理解できるというわけです。 でした。これから しかし、これでもまだ 説明していくように、その後、陽子や中性子はさらに小さな粒子に分 けられることになるのです。こんな世界を追い求めていたらきりがな 圭ロ 分 できることが分かった 話は終わりません 134