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クォークが単独で観測できない理由


お断り:前回の記事は読んでいただけているものとして、お話しを
     進めさせていただきます。
参照⇒湯川理論


パイ中間子の発見以後、続々と新しい粒子が見つかりました。
これらの粒子を「ハドロン」と呼びます。
「ハドロン」とは強い力に関係する粒子、と覚えておくとよいようです。

「ハドロン」には「メソン(中間子)」と「バリオン(重粒子)」の
2種類があります。この2つの、分類した当初の違いは重さの違いでした。
メソン :陽子より軽くて電子より重い粒子
バリオン:メソンより重い粒子

後にクォークによる説明で、次のようになります。
メソン :クォーク2つからできている粒子
バリオン:クォーク3つからできている粒子

強い力とは関係ないニュートリノや電子などは「レプトン(軽粒子)」と
総称されています。
参照⇒素粒子の標準模型


続々と見つかったハドロンを、そのすべてをより単純なもので説明しようと
考えられて生まれてきたのが「クォーク理論」です。

「クォーク理論」を理解するためには、「色荷」と名付けられているものに
ついて理解する必要性があります。そして「色荷」を説明しようとすると避
けることが出来ない原理が出てきます。それは「パウリの排他原理」という
ものです。

パウリの排他原理によると、クォークやレプトン(総称して「フェルミオン」
と呼ばれています)は同じ場所に1つしか置けません。参考までに力を伝える
素粒子ボソンは排他原理に従わず、同じ場所にいくらでも詰め込めます。光子
もボソンの一種ですので、レーザー光線あたりからある程度ご理解いただける
かと思います。
参照⇒素粒子の標準模型
     電磁気力は粒子が光子を吸ったり吐いたりして伝わる

排他原理に従う粒子であれば単独で観測できるはずなのですが、クォークは単
独で観測できません。このことを説明するために考えられたものが「色荷」にな
るんです。

「色荷」という名前は、色の性質にたとえると説明しやすいことからつけられ
たものです。1種類のクォークには(光の三原色である)赤・緑・青の3種類
の色荷を持ったものがあり、さらにその反クォークには反赤・反緑・反青の3
種類の色荷をもったものがある、と説明されています。

「色荷」は電磁気力における「電荷」のようなものと見なされ、強い力の源泉
だと言えます。プラス電荷とマイナス電荷が引き合って0電荷になりたがるよ
うに、赤色荷と緑色荷と青色荷が引き合って白色荷になりたがったり(バリオ
ン)、赤色荷と反赤色荷(緑や青の場合も同様)が引き合って白色荷になりた
がる(メソン)と考えるんです。

プラス荷電粒子やマイナス荷電粒子は単独で観測できているのに、色荷の場
合には必ず白色荷粒子が観測されていることになりますね。電荷との違いを説
明したいと思います。強い力を伝えるボソンには「グルーオン」という名前が付
けられています。クォークはこのグルーオンを吸ったり吐いたりして結びついてい
ます。

さらにグルーオンも色荷を持っていて、グルーオンがグルーオンを吸ったり吐
いたりできることが実験で確認されているそうなんです。この事を踏まえて、
クォークの距離とグルーオンの量(=力の強さ)の関係を考えてみましょう。

2つのクォークが限りなく近い場合には、2つのクォーク間にはクォークが直
接やりとりしているグルーオンしかないと考えられます。2つのクォークの距
離が離れるほどそれに加えて、グルーオンが吸ったり吐いたりしているグルー
オンが増えていくと考えられます。

このことから、クォークの距離が離れるほどクォーク間に働く力が強くなるん
ですね。それゆえクォークはハドロンの中に閉じ込められ、外に出ることが出
来ないんです。

又、無理やり引きちぎることもできるけれども、その場合は分離されたクォー
クはすぐに反クォークと結びついて中間子をつくるそうなんです。(この部分
に関しては、私は完全には理解できていません。)

クォークが単独で観測できない理由はご理解いただけましたでしょうか?
必ず白色荷になったハドロンの状態で観測されてしまうんです。



だんだんと難しいお話しになってきましたね。私自身も「この理解でいいんだ
ろうか?」と思う点が出てきています。もし間違っている点がありましたら、
ぜひご教示ください。




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今回もこの本の内容を参考にしています。
 宇宙は何でできているのか (幻冬舎新書)





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湯川理論


水素原子以外の原子は原子核内にプラスの荷電粒子である陽子を
複数個持っています。プラスの荷電粒子どうしにはお互いを遠ざけよ
うとする電磁気力が働くことはご存知ですよね。

実際のところ原子核はバラバラにならずにいる訳ですから、その電磁
気力を上回る何らかの引力が働いていることになります。この力が前
回お話した4つの力の中の「強い力」です。
参照⇒電磁気力は粒子が光子を吸ったり吐いたりして伝わる

この「強い力」を、未知の粒子「中間子」で説明したのが湯川理論です。
湯川理論では「陽子と陽子が『中間子』を交換することで結びついてい
る」と考え、加えてその「中間子」の重さも予言しました。

重さを予言できる理由を説明したいと思います。

「強い力」は「電磁気力」を上回る強さの力だから原子核がバラバラに
ならない、と先程お話ししましたね。でも原子核に陽子が自然にくっつ
いていく(軽い元素がどんどん重い元素になる)ことはありませんね。

ということは「強い力」の到達距離が原子核の直径程度だと考えられ
ます。先程参照していただいた記事の中に、「粒子間の距離が近い」と
いうことは「エネルギーを借りる時間が短い」ということで、その場合に
は使えるエネルギーが大きくなる、というお話しがあります。

ここで恐らく皆さん見覚えのある式が登場します。
アインシュタインの E=mc² です。

言葉で書けば
(エネルギー)=(質量)×(光速)²
となります。

この式から「エネルギーが大きい」ということは「質量が大きい」という
ことになります。そして到達距離から順を追って計算すると「中間子」
の重さが予言できる、という訳です。

この予言された「中間子」は1947年に発見され、「パイ中間子」と名
付けられました。そしてその2年後の1949年に湯川さんはノーベル
賞を受賞したんですね。




今回の内容から「パイ中間子」は素粒子の標準模型で「ボソンの一種」
と思われるかもしれません。実は「パイ中間子」はクォークからできてい
る粒子で、「強い力」を伝えるボソンの名前は「グルーオン」といいます。

中間子の発見以後の研究からそのように分かった訳ですけど、次の記事
はそう分かっていく過程のお話になる予定です。




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今回もこの本の内容を参考にしています。
 宇宙は何でできているのか (幻冬舎新書)






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電磁気力は粒子が光子を吸ったり吐いたりして伝わる


今回お話しする内容は、以前の記事を参照した方が良い場合があります。
なのでその都度、記事へのリンクを付けておこうと思います。


まずは自然界で働く「力」についてです。重力と電磁気力は恐らくご存知で
すよね。ミクロの世界にはそれ以外に2つの「力」があります。

1つ目は原子核の中で陽子と中性子をくっつける力で、「強い力」と呼ばれ
ています。

2つ目はベータ崩壊を起こす力で、「弱い力」と呼ばれています。
参照⇒エネルギー保存の法則から予言されたニュートリノ

自然界に存在する4つの力をたった1つの原理で説明したい、と研究されて
現在までに到達したのが、力を伝える素粒子ボソンを含む素粒子の標準模型
です。
参照⇒素粒子の標準模型
注:まだ4つの力を統一するまでにはいたっていません。


さて、本題に入りましょう。電磁気力の場合の力を伝える素粒子ボソンは「光子」
です。(「光子」は光の一粒ととらえてもらっていいかと思います。)この「光子」を
使って、電磁気力をどのように説明しているのかをお話ししたいと思います。

私たちの身の回りで見られる電磁気力は「電荷」と「電磁場」の相互作用とし
て説明されています。それをそのまま電子や陽子などの電荷を持つ粒子(荷
電粒子)に適用すれば、「荷電粒子のまわりに電場が生じる」となります。

でも、ミクロの世界の電磁気力の説明では「電場が生じる」とは考えず、「光子」
を交換していると考えます。

ここまでの説明ではさっぱりイメージがわかないと思います。さらに説明していく
んですけど、ここから先は以前の記事でふれた不確定性原理を再確認してから
読み進んでください。
参照⇒ミクロの世界ではあいまいさを0にできない

荷電粒子は常に「光子」を吸ったり吐いたりしています。荷電粒子Aが吐き出した
「光子」をほかの荷電粒子Bが吸い込むことでAとBの間に力が働く、と考えるん
です。

なんとなくイメージが分かったでしょうか?でも「荷電粒子Aが吐き出した『光子』」
という部分は実はエネルギー保存の法則を破っています。

吐き出す「光子」をつくるにはエネルギーが必要で、それを何もない空間から借り
てきているんですね。その「光子」を荷電粒子Bが吸い込んだ時点でエネルギー
の貸し借りがなくなっているんです。

「はぁ?なにそれ」と思われますよね。でもこれも不確定性原理で説明できる話の
内容なんです。

不確定性原理の記事でご紹介したこの式
(位置のあいまいさの幅)×(運動量のあいまいさの幅)>プランク定数
から、エネルギーと時間の関係を表す次の式が導かれます。(説明は省略します)
(エネルギーのあいまいさの幅)×(時間のあいまいさの幅)>プランク定数

この式からこう言えます。「長時間の観測でエネルギーが0だった空間も、ごく短時
間の観測では大きなエネルギーがあってもよい。」話を戻せば、借りてから返すまで
の時間が短ければ短いほど、たくさんのエネルギーを使って光子をつくれる、という
ことになります。

何を言わんとしているか、分からなくなってきましたね。言い変えましょう。

借りる時間が短い(=粒子間の距離が近い)ほど高エネルギーの光子をやりとりで
きる(=伝わる力が強い)。

借りる時間が長い(=粒子間の距離が遠い)ほど低エネルギーの光子をやりとりす
ることになる(=伝わる力が弱い)。

ようやく実感と一致できる説明になりましたね。つじつま合わせの説明のようですが、
今回の説明部分に関しては実証されている内容だと私は理解しています。




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今回もこの本の内容を参考にしています。
 宇宙は何でできているのか (幻冬舎新書)





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物理学科進学アドバイス


前回の記事内容を振り返っていて、物理学科への進学を検討中の方に
対してアドバイスしてみたくなってしまいました。内容を読み変えていた
だければ、他の学科への進学の場合にも応用できると思います。



物理学科の中にも、さらに専門別に研究室というものがあって、私の
通った大学では3年目になってその中の一つの研究室を選ぶよう指示
がありました。私はその段階で初めて、その大学には素粒子物理学の
研究室が無いことに気付きました。

(1つ目のアドバイスです)
大学選びの段階で、どんな研究室がその大学にあるのか調べておくべき
だったんですね。せっかく物理学科に進学しても本当に勉強したいことを
勉強できないんじゃもったいないですよね。


また、大学では学年の初めに自分で受講科目の選択、スケジュール組
みをして、履修表というものを大学に提出しました。私の場合は、特に方
向性の無いスケジュール組みをしてしまい、何を勉強したのか分からな
い結果になってしまいました。

本当に勉強したいことがはっきりしていれば、前回の記事のように勉強
しなければならないことが明らかになってきます。勉強しなければならな
いことが明らかになっていれば、その科目を中心に置いたスケジュール
組みができますよね。

(2つ目のアドバイスです)
大学への入学が決まったら、本当に勉強したいことに関する本を読んで、
何を勉強していく必要性があるのか確認しておくべきなんだと思います。



学費を無駄にしないためには、進学検討段階からあれやこれや調べたり、
準備したりしなければならないんだと、今頃になって気付きました。
気付くのが遅すぎですよね。




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ミクロの世界ではあいまいさを0にできない


本題に入る前に、まずはこんな質問をしてみたいと思います。

1.「光」は「粒子」ですか?それとも「波」ですか?
2.「電子」は「粒子」ですか?それとも「波」ですか?

普通の知識で答えれば1.は「波」、2.は「粒子」だと思います。
ということは、そうじゃないんだと思われましたよね。
その通りです。


1.の答えはアインシュタインがこのように出しています。
「光はエネルギーを持つ粒子の集まりである」
最初の質問の答えとしては、「波」であり「粒子」であるということです。

2.の答えはド・ブロイという物理学者が出しました。
「電子はなぜ原子核の周囲を回っていられるのか?」という問題に対する
答えを求めていったら「電子は波の性質を持っている」となったそうです。
つまり最初の質問の答えは「粒子」であり「波」であるということです。

電子だけじゃなく「あらゆる粒子が波の性質を持っている」と結論付けられ
ています。ということは、私たち自身も含むすべての物質が波の性質を
持っている、ということです。



さて、ここからが本題です。

高校物理では「ある時点で物体の位置と速度が分かれば、その後の位置
と速度も求められる」と習うと思います。

「そうじゃないの?」と思われた方のために言っておきます。
私たちが普通に目で見ている物体であれば、間違いではありません。
でもミクロの世界の粒子を見た場合には全然違ってくるんです。

ミクロの世界で粒子の位置と速度を測定しようとするとこうなってしまいます。
・位置を高い精度で測ろうとすると速度がわからなくなる
・速度を精密に測ろうとすると位置がボヤけてしまう

ハイゼンベルクという物理学者がこのことをこんな式で表しています。
(位置のあいまいさの幅)×(運動量のあいまいさの幅)>プランク定数
つまり「ミクロの世界ではあいまいさを0にできない」ということです。

この記事では分かりやすい言葉でお伝えしようとしているので、これ以上の
説明はやめておきます。この内容は「不確定性原理」のほんのさわりの部分
にあたります。



前半と後半の内容のつながりを説明しきれませんでした。
「不確定性原理」を理解しようとしたら「すべての物質が波の性質を持つ」こと
の理解が不可欠というつながりがあるんです。

さらに言えば「素粒子」を理解しようとしたら「不確定性原理」の理解が不可欠
なんです。あんまり言うと物理嫌いの人が増えちゃいそうですね。



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今回もこの本の内容を参考にしています。
 宇宙は何でできているのか (幻冬舎新書)





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素粒子の標準模型

今回は「素粒子の標準模型」について書いてみようと思います。

このキーワードでネット検索してみると丁寧に説明しているサイトが
見つかります。でも、難しすぎて全然理解できないと思われる方が
多いと思います。

そういった方の為に、ものすごくざっくりとした説明をしてみようと思い
ます。ざっくりとした説明がお嫌いな方は、読み進まないでください。



素粒子の標準模型をざっくりと書くとこうなります。

   クォーク各種   : ボ
・・・・・・・・・・・・・・・   : ソ
レ  ニュートリノ各種   : ン
プ             : 各
ト   電子、他    : 種
ン             :


物質が原子からできていることはご存知ですね。
その原子は原子核と電子でできていることもご存知ですね。
さらに原子核は陽子と中性子からできていることもご存知ですね。
(水素原子はのぞきます。)

素粒子の標準模型に関しては現在のところ完成されたものと言われて
います。そして陽子や中性子はクォークからできていると説明されてい
ます。

つまり物質はクォークと電子からできていると言えます。

ニュートリノに関しては前回の記事で書いたように宇宙を飛び回ってい
る素粒子です。

ボソンというのは力を伝える素粒子と言われています。



専門家の方ならば、もっともっと説明を加えずにはいられないはずです。
でも一般の方には、この先の説明はされればされるほど分からなくなる
と思います。

なので、追加の説明はやめておこうと思います。
次からは、素粒子を理解するために必要な見方・考え方の部分を説明
してみようかな?と思っています。

恐らく初めて聞く見方・考え方がでてくると思います。
(ちょっとハードルを上げてしまったかもしれませんね...)



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エネルギー保存の法則から予言されたニュートリノ


素粒子について書かれた本にしても、ネットで見つかる記事にしてもその内
容を理解できるのは、物理学をある程度勉強した人だけだろうと思います。

私はなんとか概略だけでも、もっと多くの人に伝えることができないだろうか、
と思いながらこの記事を書いています。だから今回から書いていく内容は、
厳密に言うと説明不足な点があるかもしれません。

その方がかえって一般の方には理解しやすいと思われる場合に、そうしてい
ることをあらかじめご了承ください。



最初に選んだ素粒子は「ニュートリノ」です。選んだ理由はこの本
 宇宙は何でできているのか (幻冬舎新書)
で最初に登場する素粒子だからです。

素粒子物理学の世界では、従来の理論で説明のつかない現象があると、
「こういうものがあれば理論的につじつまが合う」という考えから仮説をたて、
その仮説に見合うものをみんなが探し始めるということがしばしばあります。


「エネルギー保存の法則」という名前には聞き覚えがあると思います。
その内容は、すべての物理現象はその前後でエネルギーの総量が増えたり
減ったりしない、ということです。

ところが、中性子の「ベータ崩壊」という現象では、エネルギーの総量が減って
しまうと観測されたんですね。

ベータ崩壊というのは、原子核の中にある中性子が電子を放出して陽子に変
わる現象のことです。

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一例として「炭素年代測定法」で測定対象とされる炭素の同位元素である
炭素14でのベータ崩壊を挙げます。炭素14は6個の陽子と8個の中性子を
持っています。この状態は安定な状態ではなくて、ある一定の割合で中性子
の1つがベータ崩壊を起こし、原子量7の窒素に変わってしまいます。
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ベータ崩壊の前の中性子が持っていたエネルギーと、崩壊の後の陽子と
飛び出した電子が持っているエネルギーを比べると、崩壊後のエネルギー
の方が小さいということです。

そこでスイスの物理学者パウリは、ベータ崩壊の際に電子だけではなく、
電荷を持たない謎の粒子がいっしょに飛び出しているはずだと考えたそう
なんです。

そうして探し始めた結果、1950年代に実験室で彼の予言した粒子
(ニュートリノ)の存在が確認されたそうです。

ニュートリノという名前は2002年に小柴昌俊さんがノーベル物理学賞を
受賞した時に聞き覚えがあると思います。宇宙から飛んできた(自然発生の)
ニュートリノを世界で初めて捕まえたという功績に対するものですね。


これも本に書かれている情報なんですが、ニュートリノは質量が極めて小さ
いにもかかわらず、宇宙に存在するニュートリノをすべて集めると、宇宙にあ
るすべての星とほぼ同じ質量になるんだそうです。この情報は初耳ですよね。






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望遠鏡の性能を上げて宇宙の始まりを見る試み


今回のタイトルを見て、NHKスペシャルで放送されたこんな
番組を思い出される方もいらっしゃるかもしれませんね。
 ハッブル宇宙望遠鏡 宇宙の始まりに挑む [DVD]


私もこの記事を書くにあたって観てみました。
劇団ひとりさんの登場場面には少しムカつきを感じますが、
内容は見応えがあります。


それはさておき、まずは基本的なお話をします。


地球から230万光年離れたアンドロメダ銀河を望遠鏡で見た
場合に、今見えているアンドロメダ銀河はいつのものか分かり
ますか?


ご存知の方には簡単な質問ですね。
答えは「230万年前のもの」です。
ご存知じゃない方のためにご説明します。


「230万光年離れている」というのは、「光がその間を進むのに
230万年かかる」ということです。

そして「望遠鏡で今見ている」ということは「230万年前にアンド
ロメダ銀河を出発した光が望遠鏡を通して目に飛び込んだ」とい
うことになります。

だから、今見えているアンドロメダ銀河は「230万年前のもの」
なんです。


ご理解いただけましたでしょうか?

話を次に進めますね。


宇宙の誕生(ビッグバン)は137億年前と考えられています。
そして最初にご紹介したこの番組
 ハッブル宇宙望遠鏡 宇宙の始まりに挑む [DVD]
によると、ハッブル宇宙望遠鏡で131億光年先にある銀河を見つけ
ることができたそうです。


このことから類推すると、望遠鏡の性能をもっともっと上げていけば
宇宙の誕生の瞬間まで見ることができるんじゃないか、と思えます
よね。


残念ながら、それは不可能です。なぜなら、宇宙が誕生してから2
億年の間にはたった一つの星さえもできていなかったからなんです。


それ以前の宇宙を見る方法として「電波をキャッチする」という方法が
あるそうです。この方法にも限界があって宇宙誕生後38万年あたり
までなんだそうです。


それより昔の宇宙では原子さえも構成できない状態なので、光にして
も電波にしても飛び始めるとすぐに電気を持つ粒子にぶつかって進め
ないんだそうです。


この状態の研究が実は「素粒子物理学」なんですね。
という訳で、次回からは素粒子の話に移っていきます。


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今回の内容もこちらの本の内容を参照していますので、ご紹介してお
きます。
 宇宙は何でできているのか (幻冬舎新書)






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ビッグバンが本当にあった証拠


まずは宇宙の始まりと言われている「ビッグバン」のお話です。
と言ってもビッグバンを説明しようとしている訳ではありません。
私自信が素朴に思っていた「ビッグバンは本当にあったことなの?」
ということについてです。


物理学の世界では、実験や観測のデータ分析によって実証できた仮説
だけが、正しい理論や法則として認められます。みなさんご存知の理論
や法則の中にも、実感として都市伝説に近いものがありますよね。


例えば「アインシュタインの相対性理論」なんか該当しませんか?
「光速に近い速度で運動すると時間の進み方が遅れる」なんて聞くと、
「まさか嘘でしょう」と普通思いますよね。


この件に関しては、宇宙線の観測において寿命の決まっている粒子
の寿命が延びるという観測データによって実証されていることを、私は
以前から知っていました。これに代表されるように物理学の理論や
法則は、都市伝説とは全く違うんです。


でも「ビッグバン」に関しては、それを示す証拠を聞いたことがなかった
んです。この件に関して今回読んだ
 宇宙は何でできているのか (幻冬舎新書)
という本にちゃんと書かれていました。


「マイクロ波宇宙背景放射の異方性」というのがビッグバンの証拠なん
だそうです。これを発見したアメリカのジョージ・ストームさんとジョン・マ
ザーさんはこの功績によって2006年にノーベル賞を受賞したそうです。


ビッグバン理論によると、ビッグバンから40万年後に初めて光が自由に
飛べるようになり、その光が(宇宙は膨張しているので光のドップラー効果
によって)現在はマイクロ波として観測されると予測されるそうなんです。


その予測にピタリと当てはまる「ビッグバンの残り火」が1965年に発見
され、その発見者アーノ・ペンジアスさんとロバート・ウィルソンさんには
1978年にノーベル賞が与えられたそうです。


この段階では、マイクロ波宇宙背景放射が存在していることを実証したに
過ぎず、まだビッグバンの証拠として万全ではないんだそうです。


宇宙背景放射は、全天からほぼ均等に降り注いでいるそうなんですが、
ビッグバン理論からはそこにほんのわずかな「ムラ」があることが予想
されていたそうなんです。


「・・・の異方性」というのがこの「ムラ」のことで、それを発見したのが
スムートさんとマザーさんの2人ということです。


「あ~なるほど」とは私自身も思えないんですけど、「宇宙の始まりが
ビッグバンである」ということが実証されているんだということだけは、
確かなようです。この後の話の為に納得しておきましょう。


 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・


できるだけ噛み砕いて記事を書いたつもりなんですけど、かなり専門
用語だらけになってしまいましたね。今回の内容を要約すると

「宇宙の始まりはビッグバンである」というのは都市伝説などではない

ということでしょうね。今回に懲りずに次回もぜひ読んでください。






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宇宙とクォーク 


みなさん、お久しぶりです。
ブログ更新を休んでいる間、「私が記事にしたい話題は何だろうか?」
ということを考えてみました。

子供の頃は「宇宙」に対して強い興味を持っていました。今でも相変わ
らず強い興味を持っています。

二十歳の頃、「クォーク」こそが真の素粒子に違いないという話を聞い
て強い興味を持ちました。2008年に日本人3人がノーベル物理学賞
をもらったのがこの「クォーク」に関する研究によるものでした。だから、
もう一度「クォーク」の最新情報を得たいと思っていました。

そう思って「何かいい本はないだろうか?」と探してみたら、こんな本が
ありました。
 宇宙は何でできているのか (幻冬舎新書)

この本のサブタイトルは「素粒子物理学で解く宇宙の謎」となっていて、
私が興味を持っている「宇宙」と「クォーク」の両方のことが書かれてい
ます。

今この本を読み進んでいるんですけど、期待以上に私が知りたかった
ことが書かれています。今私は、この本に書かれている内容をもっと
多くの人々に伝えたくてしょうがない気持ちになっています。

次回からしばらくの間、私がこの本から読み取ったところを書いていっ
てみようかと思っています。これまでの記事とは全く違った内容になる
んですけど、理数系が苦手な方にも理解しやすく書いていくつもりです
ので、お付き合いの程よろしくお願いします。

          





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