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反物質封じ込めに成功？
この間、反物質封じ込めに成功という一面記事が踊りました。水素原子と反水素原子がぶつかると消滅することを証明する実験だったのかどうかは知りませんが、反物質は宇宙創世記に消えた物質であるとするのが現在の定説であるのに、実験に使われたその反物質はどこから持って来たのでしょうか。しかも最大わずか0.17秒しか封じ込められず、そんな物質を追い求めて、将来のために本当に役に立つのでしょうか。いくら考えても理屈に合いません。誰か説明できる方がおられましたら、よろしくお願いします。
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そもそも正物質と反物質は物理的にほとんど同じであり, 「電子が存在すれば陽電子も存在しなくてはならず」のはずなんです. ところが, 実際の世界ではなぜか「電子は存在して陽電子は (そこらへんでうろちょろしているという意味で) 存在しない」ということになっています. 当然「なぜそうなのか」というのが疑問として浮かび上がり (実際「電子が存在すれば陽電子も存在しなくてはならず」と書かれているということは疑問に思っているということですよね), それを考えるためにいろんな実験がなされているのです. で, この辺のことは「人類の持っている『自然に対する理解』を深める」ものであり, (#2 にも書きましたが) 「今日明日役に立つ」ことは全く目的とはしていません. どうも「事業仕訳」って「すぐ役に立つ」という点だけで議論してるように見えてしまう.... そして「0.17秒しか封じ込められず」と書かれていますが, おそらくこっち世界では「0.17秒も封じ込めることができた」ということになるかと. ふつう μs や ns で測るような時間を使うはずなので, 「0.17秒」というのは「非常に長い時間」です. あと余談ですが「最初は水素だけ～核反応」というのはちと勇み足ではないかと＞#6. ビッグバン後の元素合成で水素, ヘリウムとごく微量のリチウム・ベリリウム・ホウ素あたりができたはずです. リチウム以降は無視しても問題ないですが, とりあえずヘリウムは入れておかないと問題になるはずです.
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- yaki_29_u
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おもしろいねたなので、補足 水素原子（陽子と電子の対）は、そこそこ安定ですが、水素分子（水素原子二個）の場合は共有結合にてより安定な物質となります。高エネルギー運動状態では、共有結合が作るポテンシャルのかべをなんのそのとぶっとぶために、水素原子が宇宙では観測されているのでしょう。決してポテンシャルエネルギーが最も低い安定な状態ではありません。一方で、電子と陽子（水素原子）の束縛エネルギーよりも相対的な運動エネルギーが大きければどちらか片方が吹き飛び、プラズマ状態になることもあり得ますがあるい程度密度がないと。やはり、スペクトルとして見えるのは水素原子なんでしょうね。 陽電子が医療に応用されているレベルまで行っているとは驚きです、他の質問見て勉強になった。 いっぱい当てたらすごい光が出そうですねぇ、でも残ったやつはその分だけ正電荷に帯電 しそうです。 反水素をごみ処理に使うアイディアはすごいけど、発生した光を再利用する技術がほしい。
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補足の回答ありがとうございます。 この水素原子の問題はアインシュタインも悩んだ問題で、学校では手っ取り早く誤摩化して教えているのではないでしょうか。プラスの電荷を持つ陽子の周りをマイナスの電荷を持つ電子が回っているんだか、振動しているんだか、シュレーディンガー方程式を解けば分かりますとか。そもそも原子は方程式に従って存在しているのではなく、ただ存在しているはずです。人間の未熟な知能では、イメージできないから、へんてこりんにみんな理解しているのではないでしょうか。もし共有結合で結ばれれば、マイナスの電荷が一個多くなり、不安定となり、電子は陽子と結合して中性子となり、重水素になるのではないでしょうか。ちなみに中性子は陽子の質量と電子の質量とポテンシャルエネルギーを足すと、だいたい今知られている中性子の質量に一致します。 あしからず。
- yaki_29_u
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非常にごくまれにしか、起きないのですが、宇宙のいたるところで、反物質と物質（陽電子と電子）の生成・消滅が非常にまれな頻度ですが起こっています。これらの生成には高い光エネルギーが必要で、消滅時に高い光のエネルギーとなります。反陽子は質量が重いため、もっと高い光エネルギーが必要なようです。 地球上ではこれくらいの光エネルギーを自然界で観測することはほぼないでしょう。 答えとしては光から作ったというようなものですね。純粋に光から始まったのだとすれば、同じ量だけ反物質と物質が生成します。実際の実験ではいろいろな段階を踏んで、意図的に発生させる工夫をして、ようやくできるのです。 通常は高い光エネルギーは散逸して、消えてしまいます。夢物語とすれば、 反物質がもし、「物質内に」、厳密には高エネルギー磁場中にかなぁ…電荷をもってればの話、 高いエネルギーを保存し、使いたいときに使うという技術も可能です。参照URLのように。 0.17秒は、すごいとも言えるしすごくないともいえる。 高エネルギー状態で運動している原子の動くスピードで考えると、 その間によく衝突しなかったなぁというほど長い時間です。 実際・・・エネルギー効率としては非常に悪いもんですよ。
お礼
参考付きの回答ありがとうございます。 ちょっと私も迷路に入って来たようです。整理して考えてみます。光とは波であり時に粒子でもあるとするのが今の定説ですよね。光は太陽からふんだんに地球に降り注いでいるわけですよね。それを電気に変えるのが太陽光パネルのようなものですよね。光から電子陽電子と対生成することは、今でもしょっちゅう起きているのではないでしょうか。植物の光合成しかり、地球には未知な部分がまだいっぱい残っていてもう少し問題を解決してからでも宇宙開発に向かっても遅くはないのではないでしょうか。 あしからず。
- isa-98
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こう言った技術の多くは、 全ての物質を溶解してしまうような物質の封じ込める技術などへの応用も考えられます。 発見されたのが１９３２年。生成されたのが１９５５年。 大量に生産する事に成功し、０．２S程度の保持に成功していますので １ｋｇで≒１８０TJ（９０TJｘ２）と言う核融合より効率は高くなります。 灯油を燃やして満足している人間と、それを見て危機を覚える二種がいれば構わないのです。
お礼
回答ありがとうございます。 核融合よりは効率が高くなるのは、実験的価値があるという立場に立っているんですね。「全ての物質を溶解してしまうような物質の封じ込める技術」とはいわゆるブラックホールと同じ状態ということですか。良くわかりません。 あしからず。
＃４に素人の方が、「ビッグバン後にヘリウムと水素ができてその後『化学変化』が起きて安泰な物質が…」と書かれていますが、そりゃないよというのが専門家の立場でしょう。 最初は水素だけでした。次いでそれが「最初の星々」の中で少しのヘリウムとごくごく微量のそれ以上重い元素へ「核反応」した後、質量が大きいものでブラックホールになってしまわなかったものが「超新星」となりその時さらに微量の重元素が生じました。 それが何度も繰り返されて現在に至っても水素が元素の数の分布の上では圧倒的に多い状態が続いています。 一方重元素は宇宙にまき散らされ惑星や我々の身体を作るに至りました。 なお、イオン化しない反物質を閉じ込めておくことはほぼ不可能ですので、イオン化して電荷を持った反元素を電場(静電場、交番電場)、磁場の中に閉じ込めておくのが普通です。 陽電子などは既に医療用に莫大な量使用されていますし、反陽子にも様々な使用法があります。
お礼
補足的な説明ありがとうございます。 「陽電子などは既に医療用に莫大な量使用されています」はあまり良く知りませんでした。陽電子という反物質は自然界に存在すると考えてよいのでしょうか。お医者さんは、陽電子が存在することは分かっても、陽電子の性質まで分かって使用してるのでしょうか。wikiPediaには、ヘリウムは量子力学的構造説明を求めている旨の項目が最初の方に載っています。ということは、殆ど誰も完全な原子モデルの説明ができていないということではないのでしょうか。それとも加筆しないだけ？そんな状況で、医療に使われたら、私なら怖くて病院に行けません。（誰か加筆して～）くだらない叫びでした。ご容赦のほどを。 あしからず。
- heboiboro
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素粒子のことはよく知らないのですが、とりあえず私に答えられる部分だけ。 おっしゃる通り、反物質は現在の宇宙にはほぼ全く存在していません。しかし人工的に作り出すことはできます。ただし、たとえば陽電子は電子と出会うとすぐに対消滅してしまい、この世界には電子はそこらじゅうにあるので、人工的に作った反物質を長く留めておくことが困難です。それに成功したというのが今回の実験でしょう。 反物質を長く留めておくことができれば、反物質の性質を調べる実験が容易になる、と僕が読んだ記事には書いてありました。 反物質を利用した技術については僕はあまり知りませんが、Wikipediaなんかを見てみると、燃料に使えるだとか、あと陽電子は既にいくつかのところで使われているようなので、反物質が将来(もしかしたら凄く遠い将来かもしれませんが)実用的な技術に使われるということは可能性としてありうると思います。 ただ、物理学の研究というのは、最初はただの知的好奇心からの研究だったものが、後々に実用的な技術に役立つということがあります。たとえば電気現象の研究も、最初はこんなものが何の役に立つか分からなかったそうですが、今では電気は生活になくてはならないものですよね。 また直接は役立たなくても、理論全体の発展に寄与することで、間接的に役立ったものもあるでしょう。 もちろん、中には、直接にしろ間接にしろ結局役立たなかった研究もあるでしょうが、将来役立つかどうかは研究しているときには分からないわけです。ですから、役立ちそう役立たなさそうに関わらず様々な事象について研究するのが、物理にとっては必要なことだと僕は思います。 (役立つことが明らかな現象についてのみ研究されていたら、今の世界の発展はなかったでしょう)
お礼
丁寧な回答ありがとうございます。 確かに、理論を証明するにはある種の実験が必要なのは分かります。ちょっと前までの、学者は皆実験を元に自分の理論を証明してきました。私が好きな実験屋さんは、ファラデーです。彼は学校に行くことができないにもかかわらず、今の電磁気理論の実験的基礎を成功させました。様々な物質の性質を見抜き、実験を積み重ね、成功者として教科書にも載っております。それを数式化したのがマックスウェルでした。ラザフォード、キューリー夫妻とか見えないもの知らぜざるものに果敢に実験を行いました。私達はアインシュタインが言うように多くの努力のおかげで、今こうしてインターネットを通して調べることができます。ただ闇雲に実験していたのではなく、或る程度の見透視を立てていたわけで、この実験には見透視が有るのかどうかを考えた時に、私の疑問符がついたのでした。私には、あの渦巻き銀河の写真を見た時反物質が無いとは思えなかったのです。だからどこかの理論のはき違えではないかと。 長くなりました、あしからず。
すみませんＮｏ．３です。言葉が足りませんでした。 宇宙が最初にできた時に水素とヘリウムが存在して、それが次々に化学変化を重ねたと信じられていますが、純粋な水素は自然界には存在しない。というのは、非常に不安定だからで、常に化学変化をして安定した化合物になろうとする。 その性質をうまく使って、水素爆弾が作られたのですが、もしも水素より不安定なantimatter(反物質)を使って爆弾を作ったならば、どれだけ強力であるか計り知れない。。。という議論があるわけでして。 それを、ダンブラウンが利用して本を書いたわけです。 言葉が足りずに失礼しました。お詫びして訂正します。 あ、お礼をありがとうございました。
お礼
補足説明ありがとうございます。 やっと言おうとした意味が分かりました。この本ではそういう仮定から入って物語が構成されているのですね。でも私は水素原子は一個の原子としては一番の球対称をしていて最も安定している原子だと思っています。でなければ、宇宙のほとんどの物質が水素であるとの説明がつきません。最初からそんな不安定な物質がぱっとできることを信じるなら、どこかの神を信じた方がましです。これは水素分子を考えた時に、間違った捉え方をするからではないでしょうか。私は化学式H2は存在しないと思います。ただ水素原子の集団として存在していて、それに圧力をかけると危険になるだけなのだと。もし仮に反物質に圧力をかけ得たなら、一瞬で消えるだけなのでは。 あしからず。
確かダン・ブラウンの”エンジェルズ＆ディモンズ”にこの反物質を使った爆弾を作ろうとした盗賊団が出てきました。 トム・ハンクス(監督ロン・ハワード）の映画を見るか、原作を読んでみたらいかがでしょう？それらしい説明があるかもしれません。 現実的に爆弾を作るほど長くとどめておくのは”絶対に無理”との科学者さんのご意見でしたが。
お礼
回答ありがとうございます。 私は今SF小説を読む能力を持ち合わせていません。子供の頃良く読みましたが、確かに考えるヒントが有ることも知っています。 この回答は、いまいちピンと来ませんでしたが、ありがとうございました。
- Tacosan
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#1 の補足みたいなもの: 正物質と反物質が衝突すると対消滅して電磁波になりますが, 逆に複数の電磁波を衝突させることにより正物質と反物質を対生成することもできます. たとえば電子の質量はおよそ 0.5 MeV なので, エネルギーが 0.5 MeV 以上の電磁波を 2つ衝突させれば電子と陽電子を対生成することができます. 陽子なら (反陽子との合計で) 2 GeV ほど必要です. ここでは原理のため電磁波を使いましたが, 十分なエネルギーがあれば普通の物質でも対生成のためにつかうことができます. あと, この実験は「なぜ宇宙の初期に反物質は消えてしまったのか」を知る研究の一環だったような気がします. だから, 「直接役に立つ」ことは目的としていないはずです.
お礼
回答ありがとうございます。 私の考え方が大部まずかったようです。 でも研究チームはそれで何か解ったのでしょうか。だから反物質はすぐ消えてしまうという証明なのでしょうか。陽子の反陽子が有ると原子核のモデルが崩れてイメージできませんが、電子が存在すれば陽電子も存在しなくてはならず、でなければ電磁波として対消滅しなければ理論が合いません。陽電子は今でも普通に原子の中に有ると考えていいのでしょうか。宜しかったら回答お願いします。 ありがとうございました。
- gtx456gtx
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詳しいことは私も理解できていないですが・・・超大型の加速器で粒子を衝突させて「ビックバン直後の状態を再現」させるテストに成功して２０～３０個の反水素の保存に成功したと記事が報じています。 なお、この実験は「小型ブラックホールが発生し地球を飲み込む」可能性があるとして、裁判を起した人がいることでも有名ですね。 しかし、地球の危機を裁判はちょっとイマイチな感じがします。 地球の危機は「ウルトラマン」ですよね ^ ^
お礼
早速の回答ありがとうございます。 でもこれはウルトラマンに事業仕分けしてもらった方が人類のためになるのではないでしょうか。
お礼
再び回答ありがとうございます。 私の疑問はまだ実験段階ということで、これから解明できるわけですね。でも時間とは不思議なものですね、見方によっては長くも短くもなり得る。余談の話ですが、実は私も最初は水素だけと思ってました。というのは、だいぶ前にスバル天体観測チームが、出来てから８０億年くらいのほぼ銀河系一個分の天体を発見したからです。見た感じからすると核融合する前の状態で、丸い球体であることから水素の集まりのように見えたからです。又ヘリウムは、絶対零度近辺ではどこまでも薄く延びることが既に知られており、超伝導状態になることも知られている。そんな物質が最初から存在したとは、どうも思えないからでした。ま、それが水素だとしたら、これから核融合して原子番号１から２３４...と出来てくれば、原子の数量もすっきり説明できる。この先を説明すると長くなるので、今日はここ迄。 あしからず。
補足
失礼、８０億年ではなく８億年の間違いでした。