最 新 宇 宙 誌
4
ッ
Ⅱ
宇 宙
晴
～ 輻 射
物 質
時 代
終 わ
＆ 暗 黒 時 代
始 ま
前 編
福 江
純
大 阪 教 育 大 学
1. 無 色 透 明 あ い 暗 黒 時 代 ── 宇 宙
晴
純 時 代 次 暗 黒 時 代 到 来
光 満 い 宇
暗 転 宇 開 闢 時 残 光 以 外 何 一 見
え 暗 黒 い う
宇 全 体 無 色 透 明 い
方 適 う 宇 開 闢 時 残 光 相
変 わ 宇 全 体 1000K 温 度 赤
黒 照 い 時 代 宇 光
輝 見 い 宇
晴 無 色 透 明 宇 開 闢
計 約38万 赤 方 偏 移 約1088 宇 約1億 光 現 在 約100
1
さ ッ Ⅰ 詳 紹 宇
時 空 誕 生 時 空 相 変 化 行
起 物 質 誕 生 物 質 相
変 化 回 主 物 質 相 変 化 焦
点 当 宇 晴 宇
初 期 状 況 紹 い い
宇 初 期 物 質 相 史 綴 表 1
ッ Ⅰ 表1 文 教 育 2007
5 月 号 11 短 縮 版 い
主 温 度 変 化 ── 熱 史 ── 注 目 い 初 回 数 値 違 う
回 方 い い … 1
温 度 変 化 い
詳 第5節［ 次 号 掲 載 予 ］参 照
表1 宇 宙 熱
――――――――――――――――――――――――
時 間 赤 方 偏 移 温 度 主 出 来
――――――――――――――――――――――――
0 ∞ ∞ 無 宇 時 空
誕 生
第0 相 転 移
時 間 時 空 子 的 終 わ
第1 相 転 移 重 力 強 い 力 分 離
10 44秒 1032 1032K 力 誕 生
第2 相 転 移 強 い 力 弱 い 力 分 離
10 36秒 1028 1028K 強 い 力 誕 生 数 発 生
第3 相 転 移 弱 い 力 電 磁 力 分 離
10 11
秒 1015 1015K 電 子 誕 生
第4 相 転 移 ン
10 6
秒 1013 10兆K 陽 子 反 陽 子 対 消 滅
10 4
秒 1012 1兆K 中 間 子 対 消 滅
10 2
秒 1011 1000億K 離
3秒 1010 100億K e 離
100秒 109 40億K 電 子 陽 電 子 対 消 滅 光
100秒 108 10億K 元 素 合 成 開 始
He D Li 合 成
輻 射 時 代 終 わ &物 質 時 代 始 ま
4万7000 3570 9700K 等 密 度 時
宇 宙 晴 再 結 合 時 代
24万 1370 3700K 陽 子 電 子 再 結 合
38万 1088 3000K 晴 最 終 散 乱
宇 宙 再 電 離
2億 10 30K 初 代 体 形 成 宇
再 電 離
10億 5 16K 形 成
30億 2 8K 銀 河
表1 続
――――――――――――――――――――――――
90億 0.3 3.5K 陽 地 球 誕 生
137億 1 2.7K 現 在
190億 頃 約50億 陽 赤 色 巨 星 化
1兆 頃 銀 河 老 齢 化
100兆 頃 星 燃 え 尽
1032
頃 陽 子 崩 壊
10100 頃 ッ 蒸 発
――――――――――――――――――――――――
図1 宇 宙 開 闢 時 計 時 間 横 軸 関 数 表 物 質 プ
び 輻 射 光 温 度 縦 軸 K フ
宇 宙 晴 正 確 晴 少
前 等 密 度 時 起 こ 約5万 ま 物 質 輻 射 熱 衡 い 温 度 等 く 共
時 間 －1/2乗 減 少 実 線 宇 宙 晴
物 質 輻 射 袂 わ 後 輻 射 温 度 時 間 －2/3乗 減 少 破 線 物 質 温 度 時 間 －4/3 乗 減 少 破
線 実 際 再 電 離 あ こ 通
い
以 次 第2節 物 質 粒 子 力 粒 子
い 第3節 宇 膨 張 伴 う 物 質 や 輻 射 温 度 変 化 わ 宇 熱 史
計 算 第4節 力 離 物
質 誕 生 述 さ 第5節 宇 初 期
元 素 生 成 い 紹 最 第6節
い わ 宇 晴 う 起
詳 う 第3節 以 降 次 号 掲 載 予
… … 書 い 表1 書 い い 筆 置 い 3月1日 日 7月
20 日 半 近 間 空 い
気 長 や い
2. 物 質 粒 子 力 粒 子
現 在 宇 基 本 粒 子 物 質 作 い 物 質 粒 子 36 種 類
12 種 類 物 質 粒 子 間 働
力 媒 力 粒 子 20 種
類 粒 子 考 え い
物 質 粒 子 粒 子
粒 子 粒 子 述
子 状 態 一 粒 子
在 い い う 排 他
う 粒 子 粒 子 う い
粒 子
い う 書 い い W
基 本 粒 子 表 出 乱 暴
や や 冗 長 い 標 準 的 段
取 物 質 解 い
う 2
2.1 原 子 分 子
身 わ 物 体 生 物 無 生 物 形
形 い 原 子 や 子
い 日 常 的 い
水 素 や 炭 素 う 形 作 い 最 構 成 要 素 原 子 atom 水 や
質 原 子 い 集
子 molecule
古 代 物 質 以 割
い 最 単 位 思 索 割
い い う 意 味 atomos
い う 前 え ＝a［ い ］ tomos
［ 割 ］ atom 語 源
図2 プ ン 宇 宙 ま
出 典 http://yukimura.hep.osaka-cu.ac.jp/
元 前5世 紀 自 然 哲 学 者
物 質 原 子 真 空 い
主 張 現 在 物 質 基 本 粒
子 子 真 空 い 言 う
う 言 葉 置 換 わ
本 質 的 見 方 違 わ い 知 い
さ 原 子 中 え 水 素
水 素 水 素 う 質 少 違 う 化 学 的 似 性 質 原 子 い わ
位 体 isotope 呼 3
図 3 水 素 H 左 重 水 素 D 中 重 水 素 T
水 素 原 子 核 1個 陽 子 重 水 素 1個 陽 子
1個 中 性 子 重 水 素 1個 陽 子 2個
中 性 子 い
個 々 粒 子 表 原 子 対 種
原 子 一 括 元 素 element
称 化 学 的 性 質 元
素 並 い わ 元 素 周 期 表 原 子 種 類 数 千 種 類 元
素 約 十 種 類
子 酸 素 子 う 2個 原 子 結 合 2原 子 子
子 やC60 う 複 数 原 子 結 合 多 原 子 子
質 や DNA う 非 常 多 原 子 集 高 子 い う 4 逆
や 子 作 い 原
子1 個 子 単 原 子 子 呼 ぶ
図4 水 分 子 左 分 子( )
2.2 陽 子 中 性 子 電 子
水 素 や 酸 素 う 物 質 意 味
最 構 成 単 位 原 子 陽 子 や 中 性 子 原 子 核 電 子 い 5 陽 子 中 性 子 質 中 性 子
方 0.1％ い 共 電 子 質 約
図5 鉄 原 子
通 常 鉄 原 子 26個 陽 子 30個 中 性 子 原 子 核 そ ま わ 26 個 電 子 い
10万 1程 度 原 子 内 部
空 虚 い え 原 子 核 構 成 い 陽 子 中 性 子 併 核 子 nucleon
総 称 粒 子 宇 全 体 1080個
い 見 積 い 宇 全 体
含 い 通 常 物 質 質 核 子1個 質 割 算 見 積
原 子 化 学 的 性 質 決 原 子 核 含 陽 子 個 数 ── 原 子 番 号Z ── 原 子 質 決 原 子 核 含 陽 子 中 性 子 総 数 ── 質 数 A ──
電 子 質 陽 子 約 2000 1 い 通 常 無 視
原 子 核 壊 大 必 要
原 子 核 わ 電 子 日 常 的 化 学
簡 単 離 結 合
1eV 程 度 い う
多 場 合 電 子 や 取
日 常 化 学 反 応 や 生 体 反 応 生
い わ
知 い う 陽 子 電 荷
電 子 負 電 荷 い 原 子
核 電 子 結 い 間
働 電 磁 力 原 子 士 電 磁
気 的 力 結 い 子 い
帯 電 陽 子 原 子 核 閉
込 い 別 力 ── 強 い 力 ──
粒 子 電 荷
子 力 学 的 性 質 逆 反 粒 子
在 6 え 陽 子 反 陽 子 中 性 子 反 中 性 子 電 子 陽 電 子
電 荷 い 中 性 粒 子 反 粒 子
光 子 自 身 反 粒 子 光 子
図6 電 子 陽 電 子 対 生 成 軌 跡
出 典 CERN
http://teachers.web.cern.ch/teachers/
archiv/HST2002/Bubblech/mbitu/ELECTRON-
粒 子 反 粒 子 出 会 う 互 い 消 滅 変 わ ── 対 消 滅 pair
annihilation 呼 ぶ 逆 非 常 大
粒 子 反 粒 子 対 発 生 さ
── 対生成 pair
creation 呼 ぶ え 陽 子 電 子
温 度 い
60億K い 熱 運 動
飛 回 い 電 子 運 動
電 子 自 身 質 等 価 わ
静 質 い
う 超 高 温 内 部 陽 子 電 子 衝 突 電 子 電 子 衝 突 陽 子 光 子
衝 突 電 子 光 子 衝 突 光 子 光 子 衝 突 際 余 剰 運 動
電 子 陽 電 子 対 生 成 う
反 粒 子 在 物
理 学 者 ッ 理 論 的 予 言 い 彼 1928 い 電 子 相 対 論 的
方 程 式 ッ 方 程 式 解 通 常 電 子 反 対 性 質 粒 子 許 さ
気 反 粒 子 在 唱
7 8 1932
物 理 学 者
宇 線 研 究 中 ッ 予 言 電 荷 電 子 わ 陽 電 子 発 見
い う わ 1932 頃 段 階 既 知
物 質 粒 子 陽 子 中 性 子 電 子 反 粒 子 全 部 6種 類 い
時 代
ュ 予 言
図7 ッ 方 程 式
文 様 思 眺 え い い う ぼ く
解 い こ い
図 8 ン
ッ Paul Adrien Maurice Dirac 1902～1984
ッ 方 程 式 1933 物
理 学 賞 受 賞
出 典 http:// upload.wikimedia.org/
wikipedia/commons/c/cf/ Dirac_4.jpg
1930 実 際 発 見 さ 1950
代 湯 川 秀 樹 中 間 子 予 言 1935
実 際 発 見 さ 1947
2.3 ン プ ン
物 質 構 成 粒 子 知
い 陽 子 中 性 子 電 子
素 粒 子 呼 い 反
粒 子 見 ュ 必 要
中 間 子 発 見 さ 他 多
素 粒 子 発 見 さ 整 理 必 要 結 果 い わ 素 粒 子
強 粒 子 粒 子 中 間 子
や 軽 粒 子 類 さ い
原 子 核 電 荷 帯 陽 子 電 荷 い 中 性 子 い
陽 子 電 荷 原 子 核
壊 う 原 子 核
い 核 子 陽 子 中 性 子
士 結 働 い 湯 川 秀
電 磁 気 的 力 反 核 子 士
力 ── 核 力 nuclear
force 呼 ぶ ── 非 常 強
い 電 磁 気 的 力 無 限 遠 届
核 力 原 子 核 大 さ 約 10 15m
程 度 届 い 9 強 い 力
strong force 強 い 相 互 作 用 strong
interaction 呼 い
図9 湯 川 ン
電 磁 場 重 力 場 ン 1/r 形
い 無 限 遠 距 離rま ン 拡
い 核 力 ン 指 数 項 あ
あ 距 離 急 激 減 少
核 子 や 中 間 子 う 核 力 感 物 質 粒 子 強 粒 子 hadron 総 称
核 子 う 比 較 的
質 大 粒 子 baryon
核 子 軽 い 電 子 い 中 間
子 meson 大 別 さ 表2
さ 中 性 子 原 子 核 中 間 安 核 裂 原 子 核 外 出 15
崩 壊 1 個 中 性 子
1個 陽 子 1個 電 子 1個 反 ュ
崩 壊 電 子
体 明 線 呼
い 崩 壊 過 程 中 性 子 崩
壊 呼 い 崩 壊 放 出 さ
反 ュ ュ 反 粒 子
電 荷 核 力 働 い
質 素 粒 子 中 性 子
崩 壊 核 力 関 い い 中 性
子 崩 壊 引 起 力 弱 い 力 weak
force 弱 い 相 互 作 用 weak inter-
action 呼 い
表2 素 粒 子 分 類
――――――――――――――――――――――――
強 粒 子
粒 子
核 子 陽 子 中 性 子
Δ 粒 子 Λ 粒 子 Σ 粒 子 Ξ 粒 子
中 間 子
中 間 子 Ｋ 中 間 子
Ω 中 間 子 η 中 間 子 軽 粒 子
電 子 ュ 粒 子 粒 子
電 子 ュ ュ ュ
ュ
――――――――――――――――――――――――
電 子 や ュ う 核 力 感
い 電 磁 気 力 弱 い 力 感 物 質 粒 子 軽 粒 子 lepton 総 称
表2
混 乱 度 合 い 深 笑 思 う 日 本 語 英 語 微 妙
用 語 い
ュ い
物 質 性 質 示 基 本 構 成 粒 子 原 子
atom 原 子 位 構 造
わ 陽 子 や 中 性 子 や 電 子 原 子
作 い さ 構 成 粒 子 素 粒
子 subatomic particle 呼 ぶ
英 語 方 素 直
日 本 語 方 言 葉 綺 麗 思 う
素 粒 子 物 理 学 particle physics ュ や 中 間 子 や 多 数 粒 子
素 粒 子 呼 う さ
次 述 見
現 時 点 一 番 位 ？ 構 成 要 素 基 本 粒 子 fundamental particle/elementary
particle 呼 い
2.4 プ ン 物 質 粒 子
さ 種 類 見
素 思 え
基 本 粒 子 quark 粒
子 反
中 間 子 一
一 反 い
考 え 少 い 種 類
明 う
10 11
図 10 核 子 代 表 ン い
色 荷 電 荷 あ
必 3種 類 違 色 荷 混 う い
図 11 中 間 子 二 い
“世 代” ッ
ッ
い 表3
え 陽 子 2 個 ッ 1
個 中 性 子 1個 ッ
2個
K中 間 子 反 ッ
い 考 え
対 応 世 代 電 子
電 子 ュ ュ 粒 子 ュ ュ
粒 子 ュ
表3 基 本 粒 子 世 代
――――――――――――――――――――――――
――――――――――――――――――――――――
第 一 世 代 ッ 電 子
電 子 ュ
第 世 代 ュ 粒 子
ュ ュ
第 世 代 ッ 粒 子
ュ
――――――――――――――――――――――――
奇 妙 性 質
い 整 数 2/3 う
数 電 荷 い 単
体 取 出
中 閉 込 い さ
赤 青 色 荷 colar charge
呼 電 荷 う 子 数
結 合 作
必 3種 色 荷 組 合 わ
さ 色 異 色
士 膠 着 子 呼
力 粒 子 交 換 結 い い
図12 ン Murray Gell-Mann 1929～
物 理 学 者 者 あ
素 粒 子 物 理 学 け 業 績 1969
物 理 学 賞 受 賞 複 雑 系 サ ン タ フ 研 究 所 設 立 者 一 人 あ そ う い え 一 時 期 く 流 行 複 雑 系 最 近 複 雑 系 研 究 進 展 い う ？
い う 変 わ 前
唱 者 物 理
学 者 12
ョ
河 出 書 房 新 社 出 鳥 鳴 声
付 ワ
宇 共 通 点 3 い
う 数 変 わ い い う い
入
代 わ 物
質 構 成 基 本 的 素 粒 子 以
結 局 現 在 6 種 類 色 荷 考 え 18 種 類 反 粒 子 考 え
36 種 類 6 種 類
物 質 基 本 粒 子 表 4 表 5
表6 表7 中 間 子 や 取
考 え 核 力 強 い 相 互 作 用 い 実 士 相 互 作 用 真 意 味 強 い 相 互 作 用 わ
表4 基 本 粒 子
――――――――――――――――――――――――
前 記 号 電 荷 質
[e] [MeV]
――――――――――――――――――――――――
ッ u 2/3 1/2 5
c 2/3 1/2 1000?
ッ t 2/3 1/2 200000?
d 1/3 1/2 8?
s 1/3 1/2 100?
b 1/3 1/2 4000?
――――――――――――――――――――――――
表5 複 合 粒 子 ソ ン 中 間 子
――――――――――――――――――――――――
前 記 号 電 荷 質
[e] [MeV]
――――――――――――――――――――――――
中 間 子(ud) π
緑
緑1 0 140 π0 0 0 135
――――――――――――――――――――――――
表6 複 合 粒 子 ン 重 粒 子
――――――――――――――――――――――――
前 記 号 電 荷 質
[e] [MeV]
――――――――――――――――――――――――
陽 子(uud) p 1 1/2 938.3
中 性 子(udd) n 0 1/2 939.6
――――――――――――――――――――――――
表7 基 本 粒 子 プ ン 軽 粒 子
――――――――――――――――――――――――
前 記 号 電 荷 質
[e] [MeV]
――――――――――――――――――――――――
電 子 e 1 1/2 0.511
ュ 粒 子 1 1/2 106
粒 子 τ 1 1/2 1777
電 子 ュ e 0 1/2 ？
ュ ュ 0 1/2 ？
ュ
τ 0 1/2 ？
――――――――――――――――――――――――
2.5 ソ ン 力 粒 子
現 在 自 然 界 力 場 原
子 核 電 子 や 原 子 原 子 士 結 電 磁 相 互 作 用 原 子 核 壊 い う 核 子 士 い 強 い 相 互 作 用 強 い 力 中 性 子 自 然 崩 壊 引 起 弱 い 相 互 作 用
弱 い 力 質 物 質
間 働 い 宇 巨 視 的 構 造 支 配 力 知 い (表8)
現 代 物 理 学 力 場
力 在 粒 子 ── 粒 子 呼 ── 在 い 力 粒 子 交 換 力 場 生 考 え 表8 え
荷 電 粒 子 間 交 換 さ 電 磁 力 伝 え
光 子 photon
弱 い 相 互 作 用 伝 え 弱 粒
子 weak boson 強 い 相
互 作 用 伝 え 膠 着 子
gluon 力 伝 え 質
W 粒 子 W weak W 中 性 Z粒
子 Z 電 荷zero Z 表8
力 伝 え 粒 子 う 光 子 Z 粒 子 膠 着 子 力 子 自
自 身 反 粒 子 い
表8 自 然 界 け 四 力
――――――――――――――――――――――――
力 感 粒 子 力 伝 え 粒 子
――――――――――――――――――――――――
電 磁 力 荷 電 粒 子 光 子 γ
弱 い 力 W
緑
&Z0
弱 粒 子 ッ 粒 子
強 い 力 膠 着 子 ｇ
力 粒 子 力 子 G
――――――――――――――――――――――――
う 現 代 素 粒 子 物 理 学 物 質 粒 子 物 質 場 力 場 力 粒 子 枠
組 扱 う う
最 初 触 う 物 質 粒 子 力 粒
子 一 大 違 い
排 他 う 否 1925
物 理 学 者 1900～
1958 唱 以 粒 子
一 子 状 態 い
い う 仮 排 他
排 他 う 粒 子
粒 子 fermion わ
い 粒 子 わ 一 子 状 態 い
入 粒 子 粒 子
boson 呼 ぶ 陽 子 や 中 性 子 や 電
子 物 質 粒 子
対 光 子 力 粒 子
表9
以 結 局 現 在
光 子 W粒 子 Z 粒 子 8種 類
数 少 安 力 子
12種 類 反 粒 子 考 え 24種 類
力 基 本 粒 子
表9 粒 子 力 粒 子
――――――――――――――――――――――――
前 記 号 電 荷 質
[e] [MeV]
――――――――――――――――――――――――
光 子 γ 0 1 0
W緑
緑1 1 80000?
Z0 0 1 91000?
g 0 1 0?
力 子 G 0 2 0
――――――――――――――――――――――――
実 以 外 力 生 0
ッ 粒 子 い う
わ い 省 略
超 対 称 性 粒 子
supersymmetric particle SUSY粒 子
超 理 論 現 在 物 質
宇 考 え 以 範 い
い
図 13 相 互 作 用 表 フ ン ン 図
そ く 笑 士 衝 突
ン 介 ッ プ ま チ
ッ プ 反 応 思 う
出 典 http://www-d0.fnal.gov/
Run2Physics/top/top_public_web_pages/
図14 タ ッ 光 子 魚 雷
出 典 http://discovery.scifi-art.com/ torpedoes/akiratorp.jpg
う 何 い い 絵 い ッ
photon weak boson gluon graviton
用 語 画 像 検 索
い 出 い 13 さ
絵 い
う 14 い ッ
参 考 文 献
福 江 純 2005 100 相 対 性 理
論 ュ 宇 遺 産 講 談
社
2006 ワ
11次 元 宇 超 空 間 斉 藤 隆 央
訳 NHK出 版
2003 宇 論 入 門 牧
伸 義 訳 ュ ョ
Gerhard Borner 1993 The Early
Universe , Springer-Verlag
2007 ワ 宇
5次 元 時 空 謎 解 塩 原 通 訳
NHK出 版
７ 月 い 生 協 積 さ い
気 い 厚 い
躊 躇 い ッ
日 経 書 評 頼
棚 思 い 外
宇 論 本 近 好 著
