ノーベル物理学賞、3名の日本人科学者の快挙

ノーベル賞メダル

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ノーベル賞メダル(表)
アルフレッド・ノーベルの横顔

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ノーベル賞メダル(裏)
裏のデザインは賞によって異なっています。
物理学賞と化学賞は共通のデザインで、
自然の女神がかぶっているベールを、科学の神が
そっと持ち上げて、自然の女神の素顔を見ている姿がデザインされ、
自然の真の姿をとらえようとする科学者の姿を象徴しています。


嬉しいニュースが飛び込んできました。
10月7日19時18分配信のインターネットニュース。
スウェーデン王立科学アカデミーが10月7日、
2008年のノーベル物理学賞を発表しました。
明日の朝刊1面に大きく出るでしょう。
日本人3名の学者のノーベル物理学賞、同時受賞です。
日本人の同時受賞なんて今までになかったことですね。
日本は応用工学には強いのですが、
基礎科学に弱いと言われていました。そうでもないですね。

受賞者は、
南部陽一郎・米シカゴ大学名誉教授(87)
益川敏英・京都産業大学理学部教授(68)
小林誠・高エネルギー加速器研究機構名誉教授(64)

我々人類は、宇宙や物質は一体何からできているのだろうか、という
根源的な謎解きに挑んできました。
その謎解きの学問を、「素粒子物理学」といいます。
素粒子とは「物質を細分化していって、最後にたどりつく究極の粒子」のことです。
自然界に存在する物質でもうこれ以上分解できない最小単位の物質をいいます。
かつて、究極の物質(アトム)は、原子と考えられていました。

アトムとは鉄腕アトムのことではありません。
古代ギリシャの哲学者デモクリトスが考えた、物質の最小単位である原子、
すなわち、これ以上分割できないという意味のアートムのことです。
デモクリトスは、「決して変化せず、消滅しない存在」として、
「原子(アトム)」という粒子を考えました。

以来、人間は知性を持って、物質の根元について考え続けてきました。
もちろん、目に見えているものはすべて夢のようなもので、
あれこれ考えても仕方がないという考え方もあります。
しかし自然現象には何らかの法則性があるはずだと、
知性のある人たちの多くは考えるようになりました。
そこで登場したのが、素粒子という物質の根源です。

3人のノーベル賞受賞者は、
あらゆる物質を形づくる基本粒子の研究で先駆的な理論を提唱し、
現代の素粒子物理学の基礎を築きました。
素粒子物理学は、宇宙の起源を解明する宇宙物理学の基礎にもなっています。

授賞理由は、
「小林・益川理論」と「対称性の自発的な破れ」による素粒子物理学への貢献。
宇宙や物質の成り立ちにかかわる根源的な現象を解明し、
素粒子物理学の基礎となる「標準理論」を構築した功績が評価されたということです。
素粒子の世界に存在する「破れ」と呼ばれる非対称性の理論化に取り組んだ3氏の業績は、
理論物理学の発展に大きく貢献、初めての日本人3人同時受賞につながりました。

賞金は1000万スウェーデン・クローナ(約1億5千万円)で、半分を南部氏が受け、
半分を小林氏と益川氏が等分します。
授賞式は12月10日、ストックホルムで開かれます。

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(写真左から)
益川敏英・京都産業大理学部教授、
小林誠・高エネルギー加速器研究機構名誉教授、
南部陽一郎・米シカゴ大学名誉教授


ノーベル物理学賞教授 LIVE


1949年、湯川秀樹博士は初のノーベル物理学賞受賞で、
戦後の私たち日本人に元気を与えて頂き、
当時は意味もわからず、子どもながらに嬉しい思いをしていましたが、
物理学賞はその後、
朝永振一郎博士、江崎玲於奈博士、小柴昌俊名誉教授と続き、
化学賞は、
福井謙一博士を皮切りに、白川英樹博士、 野依良治博士、
田中耕一島津製作所研究員と続きました。

日本の教育レベルの低下が懸念されている中、
基礎科学、理工学を志されている若い皆さんの励みになるでしょう。
日本の科学のレベル向上のためにも、
とても名誉なことだと思います。

私は高校時代は、数学や物理が得意だったのですが、
ノーベル賞の内容は、難しすぎる。
専門的な内容は、凡人にはわかりませんが、
すばらしい成果だったものだと推察します。

基礎科学の分野ですので、その成果がただちに、
私たちの生活に何らかの利便性をもたらすものではありませんが、
そんな即物的なことより、
ご自身の役割の実践や、ふだんの地道なお仕事の成果に、
素直に喜びたいと思います。

このたびノーベル物理学賞を授与されることになった
3名の日本人科学者の皆様に、心からお喜びを申し上げます。
おめでとうございます。

<<解説>>
以下、ニュース記事を整理し、まとめました。


米シカゴ大学エンリコ・フェルミ研究所の南部氏(米国籍)は、
戦後まもなく渡米した頭脳流出組で、
ノーベル物理学賞を受賞した湯川秀樹、朝永振一郎の両氏に続く
日本の素粒子論研究者の第2世代。

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素粒子物理学のパイオニア 南部陽一郎先生講演会
2007.06.05
於・高エネルギー加速器研究機構


南部氏は、1960年という早い時期に、
素粒子物理学における自発的対称性の破れを定式化しました。
南部氏の理論は、素粒子物理の標準模型の基盤を成しており、
この標準模型では、あらゆる物質の最小の構成要素と自然界の4つの基本的な力のうち3つが、
ひとつの理論に統一されます。

南部氏の授賞理由は「対称性の自発的破れの仕組みの発見」。
物質をつくる素粒子になぜ質量があるのか、という根源的な謎を解き明かす理論をつくり、
その後の素粒子物理学の発展に大きな影響を与えました。 

「対称」とは、左右対称のことで、一般に左右を逆にしても、
見た目などの性質が変わらないことをいいます。
物理法則でも、一つの状態をほかの状態に変えても不変であるとされてきました。

しかし、南部氏は1961年、「自発的対称性の破れ」という素粒子に関する基本概念を初めて提唱しました。
素粒子の世界で、このような対称性が自然に失われてしまうケースがあるという考え方です。
これは、極低温で電気抵抗がゼロになる超電導現象を素粒子分野に応用し、
素粒子の対称性は失われることがあるとした理論です。
現在の素粒子研究の多くは、この概念を出発点に理論を展開しており、
物質の質量の存在を説明する基礎になっています。
この「対称性の自発的な破れ」という考え方に沿って素粒子の理論を見直したところ、
さまざまな謎を解く糸口が見つかりました。 
南部氏は、こうした斬新な考えを次々と打ち出しました。 
南部氏の研究は、その後の素粒子物理学の発展に大きな影響を与えました。
素粒子の質量の起源を探る研究や、自然界に存在する力を統一的に論じる研究は、
南部氏の理論を土台に発展しました。

益川、小林両氏は名古屋大理学部の先輩、後輩で、
湯川博士の協力研究者だった故坂田昌一博士門下で素粒子論を学びました。
この受賞は、日本のお家芸とも言える素粒子論の世界で、
第2、第3の世代が世界にその実力を改めて証明したともいえます。

小林氏と益川氏の授賞理由は「CP対称性の破れに関する理論的研究」。
「CP対称性の破れ」は、物質を形づくる「粒子」と、性質がさかさまの「反粒子」が、
本来は対等であるはずなのに、崩壊のしかたが厳密には対等でなくなる現象を指しています。
1964年に、米国の実験で「破れ」が発見されていましたが、うまく説明する理論がなかなか現れませんでした。
物質を形づくっている基本粒子(クォーク)は実際には少しずつ別の種類と混ざり合って存在しています。
種類を増やすことで、対称性の「破れ」を鮮やかに導き出してみせました。 
当時、クォークの想定は4種類で、しかも3種類しか確認されていませんでした。
単独の粒子として取り出せないこともあって、存在自体を疑問視する専門家さえいました。
両氏は1973年、「CP対称性の破れの起源発見」で、
宇宙の成り立ちにかかわる粒子と反粒子(質量が粒子と同じで電荷が反対)の数が
異なる時に起きる「CP対称性の破れ」という現象を理論的に説明するに、
当時3種類しか存在が確認されていなかった物質を形づくる素粒子クォークが
少なくとも3世代6種類あることが必要だとすることを予言しました。

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名古屋大学理学部大学院時代の小林博士と益川博士


小林・益川理論は当時の理論物理学の常識を覆す理論でしたが、
その予言通り、各種の実験で、1977年までに4、5番目のクォークの存在が実証され、
1995年には6番目のトップクォークの存在が確定、その予言(理論)の正しさが証明されました。
この理論は、両氏の名字をアルファベット順に並べて「小林・益川理論」と呼ばれ、
素粒子物理学の基礎である「標準理論」の柱に発展しました。 
「標準理論」とは、素粒子物理学の三つの基本的な力
すなわち強い力、弱い力、電磁力を記述する理論です。
正確には、強い力の量子色力学と、弱い力、電磁力のワインバーグ・サラム理論と
小林・益川理論を合わせたものです。

小林、益川両氏は名古屋市出身。名古屋大で理論物理学を学びました。
この研究を発表したのは、ともに京都大助手だった1973年。
その後、小林氏は高エネルギー加速器研究機構教授、
益川氏は京都大基礎物理学研究所長などを務めました。



物質の根源
まとめ:Matiere


物質の構成を、大きい順に並べると、一般的に次のようになります。
物質 > 分子 > 原子 > 原子核 > 素粒子(電子、中性子、陽子)> 素粒子(クォーク)

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素粒子は宇宙そのもの
画像出典:文部科学省・高エネルギー加速器研究機構

物質は、分子が集合したものです。
分子は、原子が集まって、物を構成しているものです。

原子は、物質を構成している最小の粒子で、内部に持つ陽子と中性子の各個数の違いで区別される個々の粒子を指します。
原子には酸素、水素、炭素など多くの種類がありますが、それらの違いは原子核の種類の違いから来ています。
原子核は、原子の中心にあります。原子核は単に核ともいい、原子の中心に位置する非常に小さい塊です。
原子核の周りに電子がまわっていると高校の教科書には書いてありますが、
これは、古典力学的な描像ですので正確な表現ではありません。
素粒子は、原子より小さい粒子です。素粒子のことを量子ともいいます。
量子とは、ある物質量が、ある最小単位量の整数倍で表されるときの、 その最小単位量です。
なんのこっちゃ。 要するに、最小単位量だから、電子や陽子や中性子は量子です。
ちなみに、光も量子です。 その「量子」を研究するのが「量子力学」です。

原子核を構成するのは、中性子や陽子等の核子という素粒子です。
素粒子は、約200種類以上が確認されています。
代表的な素粒子に、電子、中性子、陽子があります。

電子は、原子核の周りに分布して原子を構成している、負の電気素量をもつ素粒子のことです。
電子は、確率的な雲(電子雲)のような状態で、量子力学的な描像では、原子核の周りに存在しています。
中性子は、原子核の中に詰まっている電荷を持っていない(電気的に中性の)粒子です。電気的に中性であることから中性子と呼ばれています。正の電荷をもった陽子同士をくっつける働きがあるといわれています。
陽子は、負の電荷をもった粒子で、中性子とともに原子核を構成している素粒子です。

原子核は陽子と中性子で出来てます。陽子は+荷電、中性子は0荷電。電子は-荷電です。
電子が6個あれば陽子も6個あり原子は電気的なバランスを取ってます。

さて、ここで問題になるのは、電気を帯びていない中性子はともかく、正の電荷をもった陽子同士が
電磁気力による反発力に打ち勝って互いにくっつくことができるのはなぜなのか?という難問です。
この難問を解いたのが、日本人で最初にノーベル賞を受賞した湯川秀樹博士の中間子論でした。
中間子論は、正電荷を持つ陽子や電荷を持たない中性子が原子核内に束縛されているのは、
未知の粒子である中間子による“強い力”(核力)が働いているためである、というものです。
中間子は、原子核の中の陽子、中性子のような核子間を「核力」という強い力で結合させている粒子です。
原子核にある陽子は+に荷電しているので、2個以上ではお互いに反発しあいくっつきません。
それを付けているのが陽子と中性子の間でやり取りされるπ中間子です。これが核力で原子核を作り上げます。
これは湯川秀樹博士が1935年に発表し、1949年にノーベル賞をとりました。
現在大きな広がりと深みを持つようになった素粒子物理学の源流は、この湯川博士の中間子論にあります。

素粒子には他にも、光子(=光、電磁波)、重力子(=理論上の仮想的な素粒子)、ニュートリノ(=核反応で生み出される素粒子)、ラムダ粒子(=超原子核を構成する素粒子)、シグマ粒子(=乳剤の素粒子)など沢山の種類があります。

陽子や中性子は、それぞれが、さらにクォークという素粒子(今のところは最小の基本粒子)で構成されているというのが現代の物理学での定説です。
クォークは、陽子や中性子を構成するさらに基本的な素粒子であり、
これ以上細かくできない物質の最小粒子です。
陽子や中性子はクォークと呼ばれる基本粒子が合わさってできた複合粒子です。
この要素を「クォーク」と呼んだのは、アメリカの物理学者マレー・ゲルマンです。
いわゆるクォーク・モデルと呼ばれる理論が登場しました。

かつて、素粒子は、原子核を構成する陽子と中性子その周りに分布する電子と光子(光量子)くらいのものでした。しかし、日本の湯川秀樹博士で、新しい素粒子の世界の扉を開きました。湯川博士は、近代素粒子物理学の祖といえます。その湯川博士の弟子が、その後の日本の基礎物理学を高めてきており、6年前のニュートリノの小柴博士、今回の南部、小林,益川博士等のクオーク論などに至っていると思われます。


素粒子物理学と量子力学
まとめ:Matiere


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図解入門 よくわかる量子力学の基本と仕組み
秀和システム発行 潮 秀樹 著 ¥ 2,310


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こんなにわかってきた素粒子の世界 ~知って面白い素粒子の不思議~
技術評論社発行  京極 一樹 著  ¥1,659


今回、3名の物理学者にノーベル賞が与えられた物理学の分野は、素粒子物理学という分野です。
難しそうですね。素粒子物理学は、物質を構成している最小の要素である素粒子を研究対象とする物理学の一分野です。

これは、量子力学の分野に属します。量子力学は、古典力学で説明しきれない電子や原子核などの間の微視的現象を説明するために開発された物理学の理論です。
量子力学という最先端の物理学により物質の根源が分子-原子から、さらに小さい「素粒子」というものであることが説き明かされつつあります。
量子力学を基にして、それを手段として用いる物理学分野全般のことを、量子物理学と言うことがあります。これには物性物理学のほとんどの領域、素粒子物理学、核物理学など広範な分野が属します。また、工学的な応用研究を指して、量子工学と呼ぶ場合があります。材料関連、ナノテクノロジー、電子デバイス、半導体、超伝導素材の応用研究など、広範な分野が属します。

量子力学は、1920年代に生まれた学問であり、量子力学の成立によって物性物理学の発展に基づいた現代の工学の発展は可能になりました。 今日のIT社会ないし情報化社会と呼ばれる状況を成立させている電子工学も、半導体技術などが量子力学をその基盤としています。今日のIT技術のもとになっているのは半導体工学ですが、そぼ半導体工学は、量子力学から生まれたものです。
量子力学は,高校までの物理学には出てきませんし,大学でも、理工系の学部に行って、物理や化学や電気電子工学・材料工学といった分野を専攻しないと学ぶことがありません。

素粒子物理学は、物質とはなんぞやという探求から分子・原子を超えて原子核の領域に到達した量子力学分野の物理学です。もともとは素粒子とはなんぞやとの探求を行う分野でしたが、量子力学や宇宙論などとも密接なつながりを持っています。現在は、素粒子物理学の研究は進んでおり、スーパーコンピュータや巨大な加速器を使って実験したり、遠くの宇宙を観測したり、いわゆる「ビッグ・サイエンス」の筆頭的分野になっています。

素粒子物理学は、宇宙の起源を解明する宇宙物理学の基礎にもなっています。宇宙初期の揺らぎからの銀河形成、ブラックホールの形成、太陽系での惑星の形成など宇宙の謎を計算機シミュレーションによって解き明かす研究が進められています。銀河系を多粒子の重力相互作用としてモデル化し、スーパーコンピュータまたは高速重力計算が可能な専用計算機にてシミュレーションが行われています。

一方、原子核、素粒子などの基礎物理学においても、微少領域での基本理論に基づき、全体を膨大な数の微少な領域に分割し、その挙動をスーパーコンピュータにてシミュレーションすることによって、原子核、素粒子の新しい性質を解明しています。

宇宙と原子ともに観測が非常に困難な現象をスーパーコンピュータにより基本理論モデルからシミュレーションを行い、その現象を理解する研究が進展している。スーパーコンピュータは素粒子物理学分野における必須の研究ツールとなっています。


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高エネルギー加速器研究機構のスーパーコンピューター
物質の質量の起源となる量子色力学における
自発的対称性の破れの現象を
厳密な計算機シミュレーションにより世界で初めて実証
http://www.kek.jp/ja/news/press/2007/supercomputer2.html


物理学は、様々な自然現象を対象としている学問です。はるか昔から、人々は地上や宇宙で起こった現象に興味を持ち、そのメカニズムや法則を発見してきました。現代でも未知の自然現象はたくさんあり、研究者はそれらの現象を解き明かそうと日夜研究に没頭しています。物理学コースでは、物体の構造や性質を研究する物性分野、物質の根源を探究する素粒子分野、また広大な宇宙の謎に挑戦する宇宙分野など様々な研究が行われています。
(近畿大学 理工学部 理学科 物理学コースの記事より抜粋)

20世紀の驚異的発展は科学技術の急速な進歩によって可能となった。 物理学は科学技術の基礎となる新しい原理的な発見により本質的な貢献をした。 X線の発見とその応用、 超伝導の発見、 トランジスターの発明、 原子力エネルギーの発見などがすぐ思い浮かぶ。 このような発見は、 極微の原子世界を支配している量子力学や光速に近い速さで動く粒子の運動を記述する相対性理論という、 19世紀には想像もできなかった新しい基礎的概念の進歩があって初めて可能になったものである。
(戸塚洋二 東京大学宇宙線研究所長、神岡宇宙素粒子研究施設長「素粒子物理学の最先端」より抜粋)

素粒子物理学は、物質を構成している最小の要素である素粒子を研究対象とする物理学の一分野である。大別して素粒子論(素粒子理論)と素粒子実験からなる。何をもって素粒子とするのかは時代とともに変化してきたし、立場によっても違い得るが標準理論の枠組みにおいては、物質粒子として6種類のクォークと6種類のレプトン、力を媒介する粒子としてグルーオン、光子、ウィークボソン、重力子(グラビトン)、さらにヒッグス粒子等が素粒子だと考えられている。超弦理論においては素粒子はすべて弦(ひもともいう)の振動として扱われる。
(フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』素粒子物理学より抜粋)


受賞者の1人、益川さんは、
入浴中に一瞬のひらめきで、問題を解明した、と言っておられます。
計算は必要なかった、紙と鉛筆の世界だったようです。
当然、それまでの蓄積はあったのでしょうが・・・
ここに、アナログの重要性も感じ取りました。

今回のノーベル賞が、ディジタル社会にどっぷり浸かった
現在の若い科学者、技術者の皆さんの
生き方の指針と原動力になることを期待します。

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Copyright© 2008 Matiere


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