素粒子

質問

素朴な疑問なんですが、物質の最小単位はなんですか？今、僕が知っているのはクオークまでです。その先はどうなっているのですか？
　それといろんなＨＰを見ていて「クオークや電子などこれらの粒子は・・・」とさらっと書いてありますが、本当に粒子の形をしているとかいてありますが、本当にそんな綺麗な丸い球形をしているのですか？
　それから、ニュートンの「万有引力の法則」がありますが、どうして何も無いのに物質が２個あるだけでそこに力が働いたりするんですか？電気的な力が関係しているとか言いますが、そもそもその「電気」というのは何なんですか？何をもって「電気」といっているのですか？プラスは自分の外側の方向に力のベクトルが向いており、マイナス方向はその逆で・・・。どうしてただ粒子がそこにあるだけで力が発生するのですか？

回答No.4

Mell-Lily · ベストアンサー

素粒子物理学の成果は、「標準模型」としてまとめられています。それによれば、構成物としての素粒子と、力を伝達するための粒子が存在します。

あらゆる物質は、クオークとレプトンから構成されています。クオークとレプトンは、全部で12種類あり、三つの「世代」に分かれます。

　　第一世代　u － d　e － νe
　　第二世代　c － s　μ － νμ
　　第三世代　t － b　τ － ντ

普通の物質は、第一世代の素粒子によって、構成されています。

力には、四つの種類があります。それぞれの力は、それぞれの粒子によって媒介されます。

　　重力　　　グラビトン
　　電磁気力　フォトン
　　弱い力　　W+,W-,Z0
　　強い力　　グルーオン

例えば、電子と陽子は、フォトンをキャッチボールすることによって、結び付いています。

Q:　物質の最小単位はなんですか？クオークの先は、どうなっているのですか？

A:　クオークやレプトンが、最小単位であろうと言われています。しかし、その先があるかどうかは、分かっていません。

Q:　素粒子は、本当に綺麗な丸い球形をしているのですか？

A:　素粒子の大きさはゼロです。少なくとも、素粒子に大きさがあることを示唆する、実験データはありません。ですから、素粒子には、形がないということになります。素粒子は、理論上は、数学的な点として扱われます。

Q:　どうして、何もない物質の間に力が働いたりするんですか？

A:　力は、粒子によって伝達されます。一方が粒子を投げ、一方がそれを受け取ります。

Q:　そもそも、電気というのは何ですか？

A:　電荷を持った素粒子だけが、電気的な力を生む、フォトンを投げたり、受け取ったりすることができます。

＊素粒子物理学の研究機関

【CERN】
欧州合同素粒子原子核研究機構。スイスのジュネーブにある、高エネルギー物理学の研究機関。欧州各国が、資金を共同で出資している。Web技術の開発されたところとしても知られている。
http://public.web.cern.ch/Public/

【フェルミラボ】
フェルミ国立加速器研究所。アメリカの高エネルギー物理学の研究機関。世界最大の出力をもつ加速器テバトロンがある。
http://www.fnal.gov/

【KEK】
文部科学省高エネルギー加速器研究機構。日本の筑波市にある、高エネルギー物理学の研究機関。
http://www.kek.jp/

お礼

わざわざリンク先まで教えてくださってありがとうございます。じっくり読んでみたいと思います。ありがとうございます。

回答No.7

First_Noel

クォークとレプトンで，反物質も合わせると２４個？になるので，
基礎粒子がそんな多いのはおかしい，と言うことで，サブクォークの
概念もあるようですね．もう１０年ほど？前に聞いただけなのですが．

heero01さん，
物理学とは，例えば，
「何故電気にはプラスとマイナスがあるのか？」
と言うような命題に対しては回答を与えるものではなく，
「そう考えれば自己矛盾なく説明可能」
と言うことの知識体系であると思います．
（自己矛盾が生じれば修正の作業に取り掛かるところが，
　「科学」「科学的思考法」の大きな特徴です．）

お礼

このようなまとめた形でのお礼で申し訳ありません。みなさん面白い回答ありがとうございます。どれも非常に興味深い回答でした。ありがとうございます。

回答No.6

Horus

全部の粒子が円いわけではないでしょう。大体粒子のかたちの定義が問題です。

　それと素粒子がすべての状態において、分割不能であるかというのも今だ未証明で、それ以上のものがないとは言いきれません。次々と新しい粒子が発見されるので、かえって物質の定義がしにくくなってきました。また、力なのか物質なのか判然としなくなってきたのです。

　引力に関しては、ニュートンはプルタークからヒントを得たようですが、単に現象を数理的に説明しただけです。
　これを相対論では時空の曲がりということで説明し、量子論では重力子（グラビトン）という素粒子がやりとりするからだと言ってます。

　要するに、今のところ、全体として言っていることが矛盾しているのです。

回答No.5

SCNK

粒子と言ってはいますが、われわれが目で見ているような粒子というものとはかなり違うもので、はっきり見えるようなものではないです。不確定性といいますが、運動量と位置は同時には確定できないという性質があって、粒子がそこにあるらしいというということしかわかりません。モデルとして原子の周りを電子が回っている図がしばしば用いられますが、これも電子のいる確率を濃度にした電子雲という形で表されるものなのです。
そもそも物質は量子力学では波動でもあるわけで、波であるということはエネルギーでもあるわけです。光子のエネルギーはいわゆるブランク定数で光のエネルギーを周波数で割ったもの、つまり１波あたりのエネルギーということになります。逆に言えば１メートルの波長の電波の光子は１メートルということもできるわけです。
電子や光子と同じようにクオークなども粒子であって波動でもあります。つまり物質とは、あるいは質量とはエネルギーの一形態ということになるのです。また波やエネルギーですから打ち消しあったり、すり抜けることも可能となります。また互いに離れているとはいっても波の裾野は無限に広がっていますので、互いに影響しあうことにもなります。
自然界にはなるべく中立の状態やエネルギーの小さな状態になろうとする性質があります。粒子が存在すれば互いに重なり合って強めあったり弱めあったりしますが、極性の違う粒子があれば打ち消しあうことになるでしょう。つまりそのような状態の方が安定しているので、近づこうとする力が働くと考えればわかりやすいでしょう。

回答No.3

nyannnyannko

あなたの知りたい事は物理学の謎そのものですね。
物理学者には大きく分けて２つあります。理論を研究する人達、それを実験で実証する人達です。

見て面白そうなブックマークを見繕ってみました。
実際にはＨＰより図書館へ行くなりして本で勉強してくださいね。

理論が実際に実証されるまでかなりの年月を要することも、かなりありますよ。(数年から数十年)
興味があるんでしたら、長い目でおいかけてみてくださいな。

http://belle.kek.jp/~uehara/pdic/pdic.html
http://yujiwatanabe.hoops.ne.jp/spacenews.htm
http://www.sm.rim.or.jp/~abc/science/topics/20010725.html
http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/rccn/doc2/whatcn.html
http://www.e-science.co.jp/index.htm
http://homepage2.nifty.com/eman/index.html
http://www.na.rim.or.jp/~korori/indexj_ie.html

入門的本を読むなら
http://www.kodansha.co.jp/bluebacks/

実際に研究している施設
http://www.awa.tohoku.ac.jp/KamLAND/index_j.html
http://www.kek.jp/index-j.html

回答No.2

u13

「素朴な疑問」とお書きですが、どっこい、heero01さんの疑問はほとんど素粒子物理学が探求しようとしている疑問すべてといえると思います。

ここまで疑問を持ったからにはまじめに素粒子物理学を勉強するしかなさそうですね。

それだけではなんですのでちょっとずつ回答(への足がかり)を。

以下の回答は、すべて、「今の素粒子物理でわかっている限り」という前置き付です。あと、いっぱい質問があるので勝手に番号をつけさせてもらいます。

Q1)物質の最小単位はなんですか？今、僕が知っているのはクオークまでです。その先はどうなっているのですか？

現在知られている素粒子（＝物質の最小単位）は、6種類のクォーク（アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、ボトム（ビューティー)、トップ）と6種類のレプトン（電子、ミューオン、タウオン、電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノ）とそれらを結びつけるゲージ粒子があります。
その先は今のところ何も知られていません。

Q2)本当に粒子の形をしているとかいてありますが、本当にそんな綺麗な丸い球形をしているのですか？

クォーク、レプトンは大きさが無い、つまり、点だと思われています。便宜上、球形で描かれるだけだと思います。（立方体とかよりもそれっぽいでしょ？)

Q3)ニュートンの「万有引力の法則」がありますが、どうして何も無いのに物質が２個あるだけでそこに力が働いたりするんですか？

素粒子の世界ではたとえば重力は、質量を持った2つの物質の間を「重力子」という粒子が「仮想的に」飛んで力を運ぶ、と理解しています。

Q4)電気的な力が関係しているとか言いますが、そもそもその「電気」というのは何なんですか？何をもって「電気」といっているのですか？プラスは自分の外側の方向に力のベクトルが向いており、マイナス方向はその逆で・・・。どうしてただ粒子がそこにあるだけで力が発生するのですか？

電気的に引き合ったり反発したりする力をクーロン力と言いますがこれも同様に電気を帯びた物質の間を光子が媒介して力を運ぶという描像です。プラスとマイナスの話などは、自分で勉強してみましょう。

かいつまんだつもりがとても長くなってしまいました。でも、本当はもっともっともっと奥の深い世界です。ここまでの疑問を持つ方でしたら、まず大学の2,3年生向けの「電磁気学」「量子力学」「素粒子物理学入門」などを眺めてみることをお勧めします。

お礼

丁寧な回答ありがとうございます。御礼が遅れて申し訳ありません。

回答No.1

Singollo

素粒子については下記のページが分かりやすそうです

万有引力は電磁力でなく、重力だと思いますが、いずれにせよ、なぜポテンシャルがあるか、と聞かれれば、われわれがたまたまそういう宇宙にいるから、とか、そういう宇宙でなければわれわれは存在し得ないから(重力や電磁力が無ければわれわれの体はバラバラになってしまいますし、地球上に空気もわれわれも留まっていられないでしょう)、としか、答えようが無いかもしれません

参考URL：

http://www.kek.jp/kids/class/particle/index.html