自発的対称性の破れと自由電子の動き

質問

槍ヶ岳の頂上に置かれたボールが岐阜県側に転がるか長野県側に転がるかは予測できない、自由電子の動きも予測できない、量子力学の基礎と思います。山頂のボールは予測できない突風によって転がる方向が決まるので、自由電子も予測できないニュートリノの衝突で動く方向が決まるのですか。戸塚洋二先生と南部陽一郎先生の理論の盗用みたいで申し訳ありません。周囲の数多くの原子核や電子からの引力や斥力つまり電磁力や重力の突風の方が強いかもです。初心者の質問で失礼しております。

回答No.2

Nakay702

ほとんど遊びのような投稿で失礼します。
興味ある「自発的対称性の破れ」*という術語、何度か目にしながら、直接問われていないこともあって、等閑視していました。もっと根本的な理由は、ヤン教授らの提起以来大いに注目を浴び、頻繁に取り沙汰されてきましたが、それにも関わらず先端科学が解き明かせず、いまだ謎の部分が多いことでした。しかし考えるに、いまだ解き明かせていないということは、ど素人が勝手に妄想して楽しめる、ということかも知れない、と勝手な解釈したわけでございます。
＊自発的対称性の破れ（spontaneous symmetry breaking）とは、ある対称性をもった系がエネルギー的に安定な真空に落ち着くことで、より低い対称性の系へと移る現象やその過程を指す。類義語に明示的対称性の破れや量子異常による対称性の破れ、またこれらの起源の1つとしての力学的対称性の破れなどがある。（Wikipedia）

確かにこの「（自発的）対称性の破れ」、他から何らかの圧力を受けて多発的に起こるのでない、それ自身が持つ内在的物性、ないしそれと紛らわしい性質とも見られる現象と考えられるだけに難しいですね。最先端の物理学・物性学・天文学で観測や実験で確認され、利用されてはいます*が、その実態や理由の（原理的）説明はなく、いまだ多くが謎とされているのが実情ですね。そこで、私は厚顔無恥の想像を逞しくして一考してみました。
＊特に、「宇宙に《終り》はあるのか」（吉田伸夫）では、対生成・対消滅に見られる対称性の破れ現象に立脚して宇宙の開闢や終焉を説明しています。

ここで、素粒子レベル（例えば、クォークや電子）で生起する何らかの対生成・対消滅を想定します。これが起こる場はヒッグス場とみなします。W形で表象されるこの場には、線対称をなす２つの谷があります。この現象が起こると、つまり、左右２つの谷にそれぞれクォークと反クォーク、または電子と反電子（陽電子）が収まると、その直後（上掲書によれば、100万分の１秒後）には粒子と反粒子は光子を放って対消滅します。粒子が反粒子よりほんの少し（1億分の１秒ほど？）早くできるので、総体的に見ると粒子のほうが反粒子よりわずかに多い、つまり、（１億個に対し1億＋１個ほど）多くできる。そして、ビッグバン直後の世界では、この余った１個が対消滅し合う相手がないのでそのまま残り、物質の元になったとされますね。

断熱膨張、エントロピー増加（＝冷却化）、クォーク粒子（＝物質の元）優勢という、現在のこの「宇宙の状況が、粒子→反粒子という順番で起こることに影響し、決定づけた」、と個人的に推測しています。ということは、宇宙が「収縮（ビッグクランチ）に向かうような状況があれば、そこでは反粒子の方が優先して起こるかもしれない」と推測されます。そんなわけで、例えば、ブラックホール周辺のシュバルツシルド半径あたりでは、粒子と反粒子とが「順不動に現れては消え、消えては現れる」状況が見られることになりますので、その界隈では一時的にせよ反物質の領域が出現するかもしれませんね（ただし、実験的には、反粒子の世界はごく短時間のうちに消滅するそうですが）。

現在の宇宙は、「断熱・加速・膨張・冷却化しつつある世界である」とされていますね。このことが上述の対称性の破れの順序、対生成・対消滅の発生順序と関係あるかもしれないと憶測しています。もし宇宙が縮小・加熱の世界と化し、いわゆるビッグクランチへ向かう宇宙に変換することがあれば、そこでは対生成で反粒子が先で、対消滅であぶれるのも粒子でなく反粒子で、宇宙は反物質の世界になるのかも知れないと想像しています。このような対称性での順序の反転現象は粒子のレベルのみならず、分子（以上）の階層でも起こり得るかも知れません。例えば、アミノ酸の左旋性が右旋性に変換する可能性や、キラル対アキラルの関係などでの変化などです。その他、物理定数にも変化が生じる可能性も考えられるかも知れません。

以上、まったく裏付けのない荒唐無稽な推測ですが、ご感想・コメントをいただければ嬉しいです。

回答No.1

Nakay702

以下のとおりお答えします。
＞自由電子も予測できないニュートリノの衝突で動く方向が決まるのですか。（…）周囲の数多くの原子核や電子からの引力や斥力つまり電磁力や重力の突風の方が強いかも
⇒そうですね。おっしゃるように電磁力や重力の影響が大きいと思います。

具体的には、例えば、太陽での核融合・分裂、近傍の銀河内での超新星爆発、ごく身近で起こるβ崩壊などから放出される際に量子力学的影響を受けて動く方向を決定づけられる電子が多いと思います。ニュートリノが自由電子に衝突する場合より規模・数量ともに桁違いに多い現象でしょう。

我々は物の最小単位は原子だと思っていますが、ニュートリノの目から見ると原子は超巨大な構造物で、ニュートリノをピンポン玉とすれば、原子は月の公転半径よりずっと大きくなるという話を聞いたことがあります。え、本当？と思ってネット検索してみました。結果、「なるほど」でした。

例えば、東京大学宇宙理論研究室ホームページの
http://www-utap.phys.s.u-tokyo.ac.jp/~suto/myresearch/kasukabe...
の説明にこうありました。すなわち、原子の大きさ１０⁻⁷mm ( =0.0000001mm)に対し、クオークの大きさは１０⁻¹⁵mｍ ( =0.000000000000001mm)である、と。つまり、原子はクオークの１億倍の大きさですね。大いに納得しました。

ということで、もし小さいニュートリノが同じく小さい自由電子に当っても、（それが電子の動く方向を決めるであろうことは否定しませんが）、その圧力はごく微弱で、電磁力や重力の方が圧倒的に強いと考えられます。さらに、統計的に見ても、それが生起する確率は、上述の恒星での核融合・分裂、近傍銀河内での超新星爆発やβ崩壊などから放出されて方向づけられる確率と比べ極めて少ないと推測するに難くありません。

以上、想像と推測を交えたご回答まで。