アリストテレスは、宇宙のすべての物質は、土、空気、火、水の 4 つの基本要素で構成されていると信じていました。これらの要素に作用する 2 つの力があります: 地球と水が沈む傾向を表す重力と、空気と火が上昇する傾向を表す浮力です。この宇宙の内容の物質と力への分割は、今日まで続いています。
アリストテレスは、物質は連続的であると信じています。つまり、人は物質をより小さな断片に制限なく分割することができます。つまり、それ以上分割できない最小の粒子を得ることはできません。しかし、デモクリトスのような少数のギリシア人は、物質の固有の粒度を主張し、すべてがさまざまな種類の多数の原子で構成されていると信じていました (ギリシャ語でアトムは分割できないことを意味します)。議論は何世紀にもわたって続いてきましたが、どちらの側にも実際の証拠はありません.1803 年まで、英国の化学者で物理学者のジョン。ダルトンは、化合物は常に特定の比率で組み合わされていると指摘しました。この事実は、分子と呼ばれる単位が原子で構成されていることを説明するのに使用できます。しかし、20 世紀の初めになって初めて、2 つの学派の間の論争が原子主義の勝利に終わりました。アインシュタインは、物理学の重要な証明を提供しました。特殊相対性理論に関する彼の有名な論文の数週間前の 1905 年に発表された別の論文で、彼は液体中に浮遊する塵の小さな粒子のいわゆるブラウン運動が不規則でランダムな運動であることを示しました。液体原子とダスト粒子の衝突。
当時、原子は結局分割できないのではないかという疑惑がすでにありました。数年前、ケンブリッジ大学トリニティ カレッジの研究者であるトムソンは、電子と呼ばれる物質の粒子が存在する証拠を示しました。電子の質量は、最も軽い原子の 1000 分の 1 です。彼は、現代のテレビの受像管に非常によく似た装置を使用しました。電子は赤熱した金属フィラメントから放出され、負に帯電しているため、電場によって加速され、蛍光体でコーティングされたスクリーンに到達します。電子が画面に当たるとすぐに、フラッシュの束が生成されます。これらの電子は原子から出なければならないことがすぐにわかりました。イギリスの物理学者エルンスト。ラザフォードは 1911 年に、物質の原子が内部構造を持っていることを最終的に証明しました。それらは、多数の電子を周回する非常に小さな正に帯電した原子核で構成されています。彼は放射性原子からの正電荷の放出に基づいています。粒子と原子の衝突によって生じるたわみの現象と、そのたわみの方法を分析して、この結論を引き出しました。
当初、原子核は電子と陽子と呼ばれるさまざまな数の正に帯電した粒子で構成されていると考えられていました。陽子は物質の基本単位であると考えられているため、陽子は最初のギリシャ語に由来します。ただし、ケンブリッジ、ジェームズのラザフォードの同僚の 1 つ。チャドウィックは 1932 年に原子核に中性子と呼ばれる別の粒子も含まれていることを発見しました。中性子は陽子とほぼ同じ質量を持ちますが電荷はありません。チャドウィックはこれによりノーベル賞を受賞し、ケンブリッジのゴンビル アンド ケルズ カレッジの修士号に選ばれました。私はそのフェローです。その後、他人との喧嘩が原因で学部長を辞任。戦後に戻ってきた若い研究者グループが、長年その地位にあった年配の研究者の多くを選出した後、激しい議論がありました。これは私が行く前の出来事でした; 私がアカデミーに参加したのは、1965年、この論争の終盤で、別のノーベル賞を受賞した学長であるネビルがアカデミーに入ったときでした.モット卿も同様の議論で辞任した。
20 年前まで、人々は常に陽子と中性子を素粒子と考えていました。しかし、陽子を他の陽子または電子と高速で衝突させる実験は、それらが実際にはより小さな粒子でできていることを示しています。カリフォルニア工科大学のマレー。ゲルマンはこれらの粒子をクォークと名付けました。1969年、クォークに関する研究でノーベル賞を受賞。名前の由来はジェームス。ジョイスの謎の名言: マスター マークには 3 つのクォーク!クォークという単語はクォートと発音する必要がありますが、最後の文字は t ではなく k であり、通常はラーク (lark) と韻を踏んでいます。
少なくとも 6 つのフレーバーを持ついくつかの異なるタイプのクォークがあり、それぞれアップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、ボトム、トップと呼びます。それぞれの味には、赤、緑、青の 3 つの色があります。 (これらの用語は単なる表記であることを強調しておく必要があります。クォークは可視光の波長よりもはるかに小さいため、通常の意味での色はありません。これは、現代の物理学者が新しい粒子に名前を付けるためのより想像力に富んだ方法です。新しい現象. ギリシャ語のみに制限してください!) 陽子または中性子は、各色に 1 つずつ、3 つのクォークで構成されています。陽子には 2 つのアップ クォークと 1 つのダウン クォークが含まれ、中性子には 2 つのダウン クォークと 1 つのアップ クォークが含まれます。他の種類のクォーク (ストレンジ、チャームド、ボトム、トップ) から粒子を作ることはできますが、これらはすべてはるかに質量が大きく、急速に陽子と中性子に崩壊します。
私たちは今、原子も陽子も中性子も分割できないことを知っています。問題は、世界のすべてのものの最も基本的なビルディングブロックを構成する本当の基本的な粒子は何ですか?光の波長は原子スケールよりもはるかに大きいため、原子の一部を通常の方法で見ることは期待できず、はるかに短い波長のものを使用する必要があります。前の章で見たように、量子力学は、事実上すべての粒子が波であり、粒子のエネルギーが高いほど、対応する波の波長が短いことを示しています。したがって、この質問に私たちが与えることができる最良の答えは、私たちがどれだけ高い粒子エネルギーを想像できるかによって異なります。これらの粒子のエネルギーは通常、電子ボルトと呼ばれる単位で測定されます。 (トムソンの電子実験では、彼が電場を使って電子を加速したことがわかりました。1 ボルトの電場から電子が得るエネルギーは 1 電子ボルトです。) 19 世紀に、人々が粒子の使い方を知ったとき、エネルギーが燃焼などの化学反応によって生じるわずか数電子ボルトの低エネルギーである場合、人々は原子が最小単位であると考えます。ラザフォードの実験では、アルファ粒子は数百万電子ボルトのエネルギーを持っていました。最近では、最初は数百万電子ボルト、次に数十億電子ボルトのエネルギーを粒子に与える電磁場の使用が知られています。このように、20 年前には素粒子と考えられていた素粒子が、実はもっと小さな素粒子で構成されていることがわかっています。より高いエネルギーを使用すると、これらの粒子がより小さな粒子で構成されていることがわかりますか?それは可能でなければなりません。しかし、私たちは自然の究極の構成要素についての知識をすでに持っているか、それに近づいていると信じるいくつかの理論的根拠を持っています.
前の章で説明した波動と粒子の二重性を使用すると、光と重力を含む宇宙のすべてを粒子で表すことができます。これらの粒子には、スピンと呼ばれる性質があります。スピンは、軸の周りを回転する小さなコマと考えることができます。しかし、これは誤解を招く可能性があります。なぜなら、量子力学は、粒子には明確に定義された軸がないことを示しているからです。粒子のスピンが実際に教えてくれるのは、粒子がさまざまな方向からどのように見えるかということです。スピンを持つ粒子は点のようなもので、どの方向から見ても同じように見えます (図 5.1︱i)。1 つのスピンを持つ粒子は矢印のようなもので、方向によって異なって見えます (図 5.1︱ii)。パーティクルは、完全な円 (360°) を回転させた場合にのみ同じように表示されます。スピン 2 の粒子は、両方向矢印のようなものです (図 5.1︱iii): 半円 (180°) 回転している限り、同じように見えます。同様に、より高いスピンの粒子は、完全な回転のより小さな部分をスピンするとき、同じように見えます。これらはすべて非常に簡単ですが、驚くべき事実は、一部のパーティクルは 1 ターン後にまだ異なって見えるということであり、完全に 2 ターンを経る必要があります!このような粒子は、1/2 のスピンを持っています。図 5.一
宇宙のすべての既知の粒子は 2 つのグループに分けることができます: 宇宙の物質を構成するスピン 1/2 粒子; 物質粒子間に力を引き起こすスピン 0、1、および 2 粒子。物質粒子は、いわゆるパウリの排除原理に従います。オーストリアの物理学者ヴォルフガングです。パウリは 1925 年にそれを発見し、1945 年にノーベル賞を受賞しました。彼は非常に模範的な理論物理学者であり、彼の存在は同じ都市での実験を失敗させるとさえ言う人もいます!パウリの排他原理は、2 つの類似した粒子が同じ状態に存在することはできない、つまり、不確定性原理によって与えられる制限内で同時に同じ位置と速度を持つことはできないと述べています。スピン0、1、および2の粒子によって加えられる力の影響下で、物質の粒子が非常に高密度の状態に崩壊しない理由を説明するため、排除原理は重要です。物質の粒子がほぼ同じ場所にある場合、つまり、同じ場所に長くとどまることはありません。排他原理が世界の創造に働いていなかったとしたら、クォークは切り離された明確に定義された陽子と中性子を形成せず、これらは電子と切り離された明確に定義された原子を形成することができなかったでしょう。 .それらがすべて崩れて、ほぼ均一なとろみのあるスープになります。
ポールまで。ディラックは 1928 年に理論を提唱しましたが、電子と他のスピン 1/2 粒子は完全には理解されていませんでした。ディラックは後にケンブリッジ大学のルーカス数学教授に選出されました (ニュートンが保持していた役職と、現在私が保持している役職)。ディラックの理論は、量子力学と特殊相対性理論の両方に一致する最初の理論でした。電子が 1/2 のスピンを持っている理由、つまり、完全な円を回転させることはできないが、2 回回転させると以前と同じように見える理由を数学的に説明します。また、電子には反電子または陽電子が伴わなければならないことも予測しました。1932 年の陽電子の発見はディラックの理論を裏付け、1933 年にノーベル物理学賞を受賞しました。現在、粒子にはそれを消滅させる反粒子があることがわかっています。 （力を運ぶ粒子の場合、反粒子はそれ自体です。）反粒子でできた反世界と反人も存在する可能性があります。ただし、反対する人に会ったら握手しないように気をつけて！そうしないと、2 人とも一瞬にして消えてしまいます。私たちの周りには、なぜ反粒子よりも多くの粒子が存在するのでしょうか?これは非常に重要な問題であり、この章の後半で再び取り上げます。
量子力学では、物質粒子間のすべての力または相互作用は、1 または 2 の整数のスピンを持つ粒子によって支えられていると見なされます。電子やクォークなどの物質粒子は、力を運ぶ粒子を放出し、放出された粒子による跳ね返りによって物質粒子の速度が変化します。力を運ぶ粒子は、物質の別の粒子と衝突して吸収されます。この衝突は、物質の 2 つの粒子間に力があったように、2 番目の粒子の速度を変化させます。
力を運ぶ粒子は、その重要な特性であるパウリの排他原理に従いません。これは、交換できる数に制限がないことを示唆しており、強力な力を生み出すことができます.しかし、力を運ぶ粒子が巨大である場合、それらを生成し、長距離にわたって交換することは困難になります。そのため、彼らが運ぶ力は短距離にしかなりません。一方、力を運ぶ粒子の質量がゼロの場合、力は長距離になります。物質の粒子間で交換される力を運ぶ粒子は、実際の粒子のように粒子検出器で検出できないため、仮想粒子と呼ばれます。しかし、それらが測定可能な効果を持っているため、つまり物質の粒子間に力を引き起こし、スピン0、1、または2の粒子が直接検出できる場合には実際の粒子として存在するため、それらが存在することを知っています。私たちにとって、それらは現在、古典物理学者が光波や重力波などの波と呼ぶものの形をとっており、物質の粒子が力を運ぶ仮想粒子と引き換えに相互作用するとき、それらは時々放出されることがあります. (たとえば、2 つの電子間の電気的反発は、決して検出できない仮想光子の交換によるものですが、一方の電子が他方の電子を通過すると、実際の光子が放出され、光波の形で移動します。フォームは当社が検出します。)
力を運ぶ粒子は、運ぶ力の強さと相互作用する粒子によって 4 つのタイプに分けることができます。力の 4 分割は人為的なものであり、理論の一部を構築するための便宜的なものであり、深い意味はないことを強調しておく必要があります。ほとんどの物理学者は、最終的に 4 つの力を 1 つの力の異なる側面として説明する統一理論を見つけたいと考えています。実際、多くの人がこれを現代物理学の包括的な目標と考えています。最近では、この章で説明する 4 つの力のうち 3 つを統合することに成功しています。統一の残りの力、つまり引力の問題は、後の議論に委ねられます。
最初の力は重力であり、これは普遍的です。つまり、すべての粒子はその質量またはエネルギーのために重力を感じます。重力は他の 3 つの力よりもはるかに弱いです。それは非常に弱いので、2 つの特異な特性がなければ気付かないでしょう。つまり、非常に長い距離で機能し、常に魅力的です。これは、地球と太陽のような 2 つの巨大な物体では、すべての粒子間の非常に弱い重力が合算されてかなりの力を生み出す可能性があることを示唆しています。他の 3 つの力は、それらが短距離であるか、引き付けて反発するため、互いに打ち消し合う傾向があります。量子力学を使用して重力場を研究すると、物質の 2 つの粒子間の重力は、グラビトンと呼ばれるスピン 2 粒子によって運ばれると説明されます。それ自体に質量がないため、運ぶ力は長距離です。太陽と地球の間の重力は、これら 2 つの物体を構成する粒子間の重力子の交換に要約されます。交換された粒子は仮想的なものですが、測定可能な効果があり、地球が太陽の周りを回ります!実際の重力は、古典物理学者が重力波と呼ぶものを構成しています。重力波は非常に弱く、検出が非常に難しいため、観測されたことはありません。
もう1つの力は電磁力です。電子やクォークなどの荷電粒子間では作用しますが、グラビトンなどの非荷電粒子では作用しません。重力よりもはるかに強い: 2 つの電子間の電磁力は、重力の約 100 億倍 (1 の後に 42 個のゼロ) 倍強い.ただし、電荷にはプラスとマイナスの 2 種類があります。同種の電荷間の力は互いに反発し、異なる種類の電荷は互いに引き合います。地球や太陽などの大きな物体には、ほぼ同量のプラスとマイナスの電荷が含まれています。個々の粒子間の引力と斥力はほぼ完全に相殺されるため、2 つの物体間の純粋な電磁気力は非常に小さくなります。しかし、原子や分子の小さなスケールでは電磁力が大きな役割を果たします。原子核内の負に帯電した電子と正に帯電した陽子の間の電磁力により、重力によって地球が太陽の周りを周回するように、電子が原子核の周りを周回します。電磁引力は、光子と呼ばれる質量のないスピン 1 粒子の交換によって引き起こされると考えられてきました。さらに、ここで交換される光子は仮想粒子です。しかし、電子がある許容軌道から原子核に近い別の許容軌道に変化するとき、エネルギーは、波長が適切な場合に放出される実際の光子、肉眼で観察できる可視光、または肉眼で観察できる光子の形で放出されます。観察する写真プレート検出器などに使用できます。同様に、光子が原子と衝突すると、原子核に近い許容軌道から離れた軌道に電子を移動させることができます。このようにして、光子のエネルギーは使い果たされます。つまり、吸収されます。
第三の力は弱い核力と呼ばれます。放射現象を制限し、スピン 1/2 の物質粒子にのみ作用し、光子や重力子などのスピン 1 または 2 の粒子には影響しません。1967年までインペリアル・カレッジ・ロンドンのアベルダス。ハーバード大学のサラムとステファン。Weinberg が弱い電磁相互作用の統一理論を提案するまで、弱い相互作用はよく理解されていませんでした。物理学の世界でこの動きによって引き起こされた衝撃は、100 年前のマクスウェルの電気と磁気の統一と比較することができます。Weinberg-Salam 理論は、光子に加えて、弱い力を運ぶ重ベクトル ボソンと総称される 3 つのスピン 1 粒子があることを示唆しています。それらは W+ (W 正)、W- (W 負)、および Z (Z ゼロ) と呼ばれ、それぞれ約 100 GeV (GeV は 10 億電子ボルト) の質量を持っています。上記の理論は、自発的な対称性の破れとして知られる性質を示します。低エネルギーでは、まったく異なるように見えるいくつかの粒子が、実際には同じタイプの粒子の異なる状態であることを示しています。これらの粒子はすべて、高エネルギーで同様に振る舞います。この効果は、ルーレット盤上のルーレット ボールの動作に似ています。高エネルギー (ホイールが高速回転している場合) では、ボールは基本的に一方向にのみ動作し、転がっていますが、ホイールの速度が低下すると、ボールのエネルギーが低下し、最終的にボールはホイールに沈みます。 -上記の 7 つのスロット。言い換えれば、ボールは低エネルギーで 37 の異なる状態で存在できます。何らかの理由で低エネルギーのボールしか観測できなかったとしたら、37 種類のボールがあったと考えられます。
Weinberg-Salam 理論では、3 つの新しい粒子は、100 GeV をはるかに超えるエネルギーで光子と同様に動作します。しかし、ほとんどの通常エネルギーはこれより低く、粒子間の対称性は破られています。 W+、W-、Z は大きな質量になるため、それらが運ぶ力は非常に短距離になります。Salam と Weinberg がこの理論を提案したとき、実際の W+、W-、および Z 粒子を生成するのに必要な 100 GeV のエネルギーを達成するのに十分なほど粒子を加速できなかったため、ほとんどの人はそれを信じませんでした。しかし、次の 10 年ほどの間に、低エネルギーでの理論と実験の他の予測が非常によく一致したため、彼らとシェルドン S.Glashow は一緒に 1979 年のノーベル物理学賞を受賞しました。グラショーは電磁気学と弱い作用の同様の統一理論を提案した。ノーベル委員会は、1983 年に CERN (欧州原子核研究センター) で、正確に予測された質量やその他の特性を持つ光子の 3 つの巨大なパートナーが発見されたおかげで、間違いを犯すという当惑を免れました。何百人もの物理学者をこの発見に導いたカーラ。Rubia と CERN エンジニアの Simon S.ヴァンダー。ミルは 1984 年にノーベル賞を受賞しました。 (あなたがすでにトップにいるのでない限り、最近の実験物理学で成果を上げることは非常に困難です!)
第四の力は強い力です。陽子と中性子でクォークを結合し、原子で陽子と中性子を結合します。グルーオンと呼ばれる別のスピン 1 粒子は、強い力を運ぶと考えられています。それ自体とクォークとのみ相互作用できます。強力な核力には、閉じ込めと呼ばれる奇妙な特性があります。これは、常に粒子を無色の結合に結合します。クォークには色 (赤、緑、青) があるため、個々のクォークを取得することはできません。逆に、赤いクォークは、一連のグルオン (赤 + 緑 + 青 = 白) によって緑のクォークと青のクォークに結合する必要があります。このようなトリプレットは、陽子または中性子を構成します。他の可能性は、クォークと反クォーク (赤 + 反赤、または緑 + 反緑、または青 + 反青 = 白) からなるペアです。このような組み合わせがメソンと呼ばれる粒子を構成します。クォークと反クォークが互いに消滅して電子やその他の粒子を生成するため、メソンは不安定です。同様に、グルオンにも色があるため、色の閉じ込めにより、個々のグルオンを取得できなくなります。それどころか、得られるグルオンのクラスターの重ね合わせの色は白でなければなりません。このような塊は、グルーボールと呼ばれる不安定な粒子を形成します。
色の閉じ込めが孤立したクォークやグルオンを観察することを妨げるという事実は、粒子としてのクォークとグルオンの全体的な考えを少し形而上学的に見えるようにします.ただし、強力な核力には漸近自由と呼ばれる性質もあり、クォークとグルオンは明確に定義された概念になります。通常のエネルギーでは、強い核力は非常に強く、クォークを非常に強く結び付けます。しかし、大型粒子加速器での実験では、高エネルギーでは強い力がはるかに弱くなり、クォークとグルオンが自由粒子のように振る舞うことが示されています。
図 5.2枚目は高エネルギーの陽子が反陽子に衝突している写真。衝突はいくつかのほぼ自由なクォークを生成し、図に見られる放出軌道を引き起こしました。図 5.2 陽子と反陽子が高エネルギーで衝突し、ほぼ自由なクォークのペアが生成されます。
電磁気力と弱い力の統合の成功により、多くの人がこれら 2 つの力と強力な核力を組み合わせて、いわゆる大統一理論 (または GUT) を試みるようになりました。それはかなり誇張された名前であり、結果として得られる理論はそれほど素晴らしいものではなく、重力が含まれていないため、すべての力を統一するものではありません.理論から予測することはできず、実験に適合するように人為的に選択する必要がある多くのパラメーターが含まれているため、それらも実際には完全な理論ではありません。それでも、それらは完全に統一された理論への一歩かもしれません。 GUT の基本的な考え方は、前述のように、強い核力は高エネルギーで弱くなり、一方、漸近的に自由な性質を持たない電磁力と弱い力は高エネルギーで強くなる、というものです。大統一エネルギーと呼ばれる非常に高いエネルギーでは、3 つの力はすべて同じ強さを持ち、1 つの力の異なる側面と見なすことができます。このエネルギーでは、GUT は、異なるスピン 1/2 物質粒子 (クォークや電子など) も本質的に同じになり、別の種類の統合につながると予測しました。
大統一エネルギーの値はよくわかっていませんが、少なくとも千兆電子ボルトである可能性があります。現在、粒子加速器は100GeV程度のエネルギーの粒子しか衝突させることができず、建設予定のマシンのエネルギーは数千GeVです。粒子を大規模な統合エネルギーに加速するのに十分強力な機械を構築するには、太陽系と同じ大きさにする必要がありますが、これは現代の経済では不可能です.したがって、実験室で大統一理論を直接確認することは不可能です。しかし、電弱統一理論のように、低エネルギーでその結果をテストすることができます。
最も興味深い予測の 1 つは、通常の物質の質量の大部分を占める陽子が、反電子などのより軽い粒子に自発的に崩壊できるというものです。その理由は、大統一エネルギーでは、クォークと反電子の間に本質的な違いがないからです。通常、陽子の 3 つのクォークは、反電子に変わるのに十分なエネルギーを持っていません. 不確定性原理は、陽子のクォークのエネルギーが厳密に一定ではないことを意味するため、クォークの 1 つが非常にまれに十分なエネルギーを得ることができます.陽子が崩壊するように変換します。クォークが十分なエネルギーを得る確率は非常に低いため、発生するのに少なくとも億年 (1 の後に 30 のゼロが続く) はかかります。これは、ビッグバン以降の宇宙の年齢 (1 の後に 10 のゼロが続く約 100 億年) よりもはるかに長いです。したがって、自然陽子崩壊の可能性を実験的に検出することは不可能であると考えられます。しかし、非常に多くの陽子を含む大量の物質を観察して、崩壊を検出する可能性を高めることができます。 (たとえば、観測された天体に 1 個の陽子とそれに続く 31 個の陽子が含まれている場合、最も単純な GUT の下では、1 年に複数の陽子崩壊が見られると予想されます。)
一連の実験が行われましたが、残念ながら陽子または中性子崩壊の決定的な証拠は得られませんでした。オハイオ州のモールトン岩塩坑では、8,000 トンの水を使って 1 つの実験が行われました (陽子崩壊と混同される他の宇宙線誘起事象を避けるため)。陽子の自然崩壊は実験で観測されていないので、陽子の推定寿命は少なくとも千兆年 (1 の後に 31 個のゼロが続く) であると見積もることができます。これは、単純な大統一理論で予測されるよりも長い寿命です。ただし、より洗練された複雑な GUT の中には、これよりも長い寿命を予測するものもあり、より高感度な手段でさらに大量の物質をテストする必要があります。
陽子の自然崩壊を観察することは非常に困難ですが、逆のプロセス、つまり陽子またはより単純なクォークの生成が私たちの存在につながった可能性があります。それらは、宇宙の始まりから想像できる最も自然な方法で、反クォークよりも多くのクォークが存在しない状態で発生しました。地球上の物質は主に陽子と中性子で構成されているため、クォークです。大型粒子加速器で数人の物理学者によって生成されたものを除いて、反クォークで作られた反陽子と反中性子はありません。宇宙線からの証拠は、同じことが私たちの銀河のすべての物質に当てはまることを示唆しています.粒子と反粒子のペアが高エネルギーで衝突するときに生成されるいくつかを除いて、反陽子または反中性子は発見されていません.私たちの銀河系に反物質の広い領域がある場合、多くの粒子とその反粒子が衝突して消滅し、高エネルギーの放射線を放出する、物質と反物質の境界で大量の放射線が観測されると予想されます。
他の銀河の物質が陽子、中性子、または反陽子、反中性子で構成されているかどうかを示す直接的な証拠はありませんが、この 2 つはそのうちの 1 つにすぎません。したがって、すべての銀河は反クォークではなくクォークでできていると考えられており、一部の銀河が物質であり、他の銀河が反物質である可能性も低いと思われます。
反クォークよりもクォークの方が多いのはなぜですか?それらの数が等しくないのはなぜですか?数が異なっていたのは幸運だったに違いありません。そうでなければ、初期の宇宙で互いに消滅し、ほとんど物質のない放射線で満たされた宇宙だけが残っていたでしょう。その結果、人間の生命が発達できる銀河、星、惑星はなくなります。幸いなことに、大統一理論は、最初は同じ数であったにも関わらず、反クォークよりも多くのクォークが宇宙に存在する理由を説明することができます。これまで見てきたように、GUT はクォークが高エネルギーで反電子になることを可能にします。また、反クォークが電子に変わり、電子と反電子が反クォークとクォークに変わる逆のプロセスも可能になります。初期の宇宙には、これらの遷移が発生するのに十分なほど粒子エネルギーが高かったほど高温だった時期がありました。しかし、なぜクォークが反クォークを上回っているのでしょうか?その理由は、物理法則が粒子と反粒子で同じではないからです。
1956 年まで、物理法則はそれぞれ C、P、T と呼ばれる 3 つの対称性に従うと信じられていました。 C (電荷) 対称性は、粒子と反粒子の法則が同じであることを意味します; P (パリティ) 対称性は、あらゆる状況とその鏡像 (右スピンを持つ粒子の鏡像は左スピン T (時間) 対称性とは、粒子と反粒子の運動の方向を逆にすると、システムが元の状態に戻ることを意味します。つまり、時間方向の法則は、前進する場合も後退する場合も同じです。
1956 年、アメリカの 2 人の物理学者、李正道と楊振寧は、弱い作用が実際には P 対称性に従わないことを提案しました。言い換えれば、弱い力は、宇宙の鏡像を異なって発展させます。同年、同僚の 1 人である Wu Jianxiong は、彼らの予測が正しいことを証明しました。彼女は磁場の中で放射性元素の原子核を整列させ、スピンが整列するようにし、一方の方向に他方の方向よりも多くの電子が放出されることを実証しました。翌年、李と楊はそれでノーベル賞を受賞した。また、弱い相互作用が C 対称性に従わないこと、つまり、反粒子からなる宇宙が私たちの宇宙とは異なる振る舞いをすることもわかりました。それにもかかわらず、弱い力は CP 関節対称性に従うように見えます。つまり、すべての粒子がその反粒子に置き換えられた場合、結果として生じる宇宙の鏡像は、元の宇宙と同じように発展します!しかし、1964 年に 2 人のアメリカ人 J. ウ．クローニンとヴァル。フィッツは、カオンと呼ばれる崩壊では CP 対称性さえも守られていないことを発見しました。1980年、クローニンとフィッツはこれでノーベル賞を受賞しました。 (宇宙は私たちが思っていたほど単純ではないことを示したことで、多くの賞が授与されています!)
量子力学と相対性理論に従う理論は、CPT ジョイント対称性に従わなければならないという数学的定理があります。つまり、粒子を反粒子に置き換え、鏡像をとり、同時に時間を逆転させれば、宇宙の振る舞いは同じでなければならない。クローニンとフィッツは、粒子の代わりに反粒子のみを使用し、鏡像を使用しても、時間の方向が逆にならない場合、宇宙の動作は同じままであることを示しました。したがって、物理法則は、時間方向が逆になった場合に T 対称性に従わないように変更する必要があります。
早期宇宙肯定是不服從Ｔ對稱的：當時間往前走時，宇宙膨脹；如果它往後退，則宇宙收縮。而且，由於存在著不服從Ｔ對稱的力，因此當宇宙膨脹時，相對於將電子變成反夸克，這些力更容易將反電子變成夸克。然後，當宇宙膨脹並冷卻下來，反夸克就和夸克湮滅，但由於已有的夸克比反夸克多，少量過剩的夸克就留下來。正是它們構成我們今天看到的物質，由這些物質構成了我們自己。這樣，我們自身之存在可認為是大統一理論的證實，哪怕僅僅是定性的而已；但此預言的不確定性到了這種程度，以至於我們不能知道在湮滅之後餘下的夸克數目，甚至不知是夸克還是反夸克餘下。（然而，如果是反夸克多餘留下，我們可以簡單地稱反夸克為夸克，夸克為反夸克。）
大統一理論並不包括引力。這關係不大，因為引力是如此之弱，以至於我們處理基本粒子或原子問題時，通常可以忽略它的效應。然而，它的作用既是長程的，又總是吸引的，表明它的所有效應是疊加的。所以，對於足夠大量的物質粒子，引力會比其他所有的力都更重要。這就是為什麼正是引力決定了宇宙的演化的緣故。甚至對於恆星大小的物體，引力的吸引會超過所有其他的力，並使恆星自身坍縮。七十年代我的工作是集中於研究黑洞。黑洞就是由這種恆星的坍縮和圍繞它們的強大的引力場所產生的。正是黑洞研究給出了量子力學和廣義相對論如何相互影響的第一個暗示亦即尚未成功的量子引力論的一瞥。