不思議宇宙のトムキンス

ジョージ・ガモフが1944年に刊行した一般の読者むけに書いた物理の本を、改訂したもの。
平凡な銀行員トムキンスは物理学に興味がある。ある日大学で一般向けに相対性理論の講演があるとわかり聴講にいくことにする。講義はむずかしくて彼はしばしば眠ってしまうが、そのなかで理論を象徴するような夢をみる。

相対性理論
ニュートンが時間を一定のながれとしたのに対して、観測精度が上昇すると、理論とあわないところがあらわれてきた。
真空中では光の速度は不変。そしてそれは自然界の限界速度。古典力学の速度の加法定理はなりたたない。
時間は高速に近づくと遅くなる。粒子の崩壊時間（寿命）が加速によってかわることが実験（CERN)で確認されている。

トムキンスは限界速度は光速よりもずっと小さい世界で自転車をこぐ人をみて、そのひとがぺしゃんこになっているのを観察する。また自分が自転車にのるとまわりの景色がぺしゃんこになる
同じ世界でトムキンスは列車の窓から駅で人が殺されるのを目撃する、そのとき同時にトムキンスは新聞を読んでいる若い駅員を目撃するが、トムキンスが現場にかけつけると、刑事は若い駅員を逮捕している。刑事によればこの国では同時性の概念が高度に相対的なので離れた場所で起こった出来事が同時であったか否かが観測者の運動に左右されるので、トムキンスの証言はあてにならないというのだ。しかし、どんなに相対的であっても原因の前に結果をみることはありえないと物理学の教授（講演会の教授）が説得してくれる

曲率
正の曲率なら空間は閉じている。負の曲率ならすり鉢の底から上はいくらでものばせるように空間は閉じていない。宇宙の銀河の分布から、この宇宙は正の曲率をもつと考えられている

宇宙の膨張
宇宙にどれくらいの物質が存在するかによって、膨張の終わるときがきまる。いまのところ臨界値にちかい質量が宇宙にあって、膨張はいずれとまり収縮に向かうと考えられている
宇宙空間には光を発しないので観測できない物質（ダークマター）あり、99%の質量をしめていると考えられている。
ビッグバンのとき、この宇宙が臨界値をもって膨張することが選択されたと思われている

トムキンスは実際よりだいぶ小さい宇宙にいる夢をみる。そこで隕石に教授の手袋をとばされるが、それは空間が閉じているからやがて戻ってくる。とおざかるにつれて手袋の幻影があらわれ、こんどは本当の手袋が戻ってくる。しかし宇宙は急速に冷え（膨張するから）やがて急激に熱くなる（収縮がはじまる）そこで目がさめる

ビッグバンの証拠
遠くの銀河ほど一定の体積内に含まれる銀河数が多い。見えているのは昔の状態だから昔のほうがこみあっていた。
原子の存在比、この宇宙には軽い原子のほうが多い、ビッグバンの当初は陽子、中性子、電子、素粒子がとびかっていたがそれが原子核をつくる、やがてそれがぶつかってもっと重い原子ができるわけだが、そのためには高温の状態がいる。しかし、膨張により温度がさがったので、この宇宙には軽い原子が多い。計算でもとめられる期待値と現在の宇宙の原子の比率が一致するらしい
ビッグバンのあと膨張で温度がさがっていったとして計算すると７Kになり、観測されたビッグバンの残骸とおもわれるものが２．７３Kだった

恒星と惑星
ビッグバンで飛び散った物質があつまっているところは、引力によりますます物質があつまっていく、そしてやがて核融合を起こす、これが恒星、恒星は核融合によって重い原子をつくりだし、われわれの惑星がうまれる。
核融合の燃料をすべてもやすと恒星は爆発するか、ブラックホールになる
ちなみに核融合では鉄で融合がとまる、それ以上融合するにはあれ？なんだっけ

量子論
古典物理学ではエネルギーは連続していてどこまでも分割可能だとおもわれていたが、実験結果ではそれは否定され、ごく小さいレベルの世界ではエネルギーは特定の値しかとれないということがわかった。あまりに微小な単位での話なので、普段の生活では意識されないし、古典物理学では問題にならなかったらしい。
その小さな量子の世界では物体（原子や量子）の位置と速度は特定できないらしい。また常に振動しているので一定の空間にとじこめてはおけず、しみだしてしまうらしい。振動しているので屈折や干渉という波の性質ももつ。

トムキンスは夢でプランク定数（これがおおきいと一般のれべるのものまで量子的ふるまいをする）がおおきい世界にいき、サファリをする。その世界では位置や速度がゆれているので、まず像にのってでかけ、ハエがとんでくると何重にもみえるそれのいちばん濃いところ（存在確率が高いところ）をたたき、ライオンの狩りはガゼルをスリットの間を通して一定の場所におびきだし（エネルギーがきまっているので屈折してあらわれるところがきまっている）殺して行われる。

マクスウェルの魔物
空間にある分子がいちばんあり得る状態は均一になっていること。しかし、一部の分子が他の分子の熱を奪って非常に高温になったり、分子がよりあつまって、どこかに固まるなんとことがおきないとは言えない。確率は低いがこのような起こりうる奇妙な事象をおこすのをマクスウェルの魔物という。それはエントロピーが増大するのが普通の世界で逆の事象を起こすものともいえる。
トムキンスの妻モードは夢でマクスウェルの魔物があらわれて皿をあらったり、ウィスキーグラスの分子の運動を制御してウィスキーを沸騰させたりするのを見る

電子（素粒子）
原子核は陽子と中性子からなっており、そのまわりを電子がまわっている。陽子と電子の数はつりあって中性になっているほうが安定する。
また、電子の軌道は限定されており、一定の軌道しかもてない。軌道は原子核に近いほうから満たされる。また、不確定性理論により軌道はぼんやりとしている。
電子は普通２こがペアになり逆向きの回転をしながらまわっているが、なかには余分な電子をもっているもの、電子がたりないものもある。原子がいくつの電子を抱えられるかはその原子核の陽子数によるが、奇数の原子はいつも不安定なのでくっつきあいやすい。

トムキンスの夢では彼が電子になり、塩素の価電子になってペアがいないといっていると、ナトリウムがやってきて、そこの外殻にとびこんでうまくペアになる、そして塩素とナトリウムはくっついて塩化ナトリウムになる。また銅の中にとびこんで電球におくられたり、仲間の電子が陽電子とぶつかって消えるのをみたりする。


原子核
密度が非常に高く原子の質量のおよそ99.97%をしめる。
核には陽子があるが、電荷はすべて＋なのでクーロン斥力がはたらく、しかし強い核力のはたらきで液体がはなればなれにならないのと同じように球状にまとまっている。
現在いちばん多い陽子をもつ原子は92の陽子をもつ、たくさんの陽子をもつほどクーロン斥力がはたらき、原子核が崩壊しやすい。
原子核にアルファ粒子をぶつけてその軌跡を観察するという方法で実験はおこなわれた。そして入射粒子のポテンシャルが十分に高ければ、原子核は崩壊し、人工的に元素が変換される。
原子核が分裂すると放射と高速粒子という形でエネルギーが放出される。放出された粒子のうち中性子はまた近くの原子核に核分裂をおこさせることがあり、これが原発や原子力爆弾の原理。
また、水素などの軽い元素を高温で融合させる核融合でもエネルギーをつくりだせる。
核子の結びつきが効率的になると余ったエネルギーが放出される

トムキンスは原子核に色をぬっている老人の夢をみる。
老人は陽子を赤に電子を青緑にぬっている、まぜると白になるのだそうだ。また中性子は白だが取扱いに注意しないと陽子になってしまうといって、みせてくれる。トムキンスの目の前で中性子は赤と青緑の模様をつけたあと、陽子と電子とニュートリノに分裂する。ニュートリノは壁を通ってきえてしまう

反物質
正電荷をもつ陽電子、陽電子は電子と同じふるまいをする、しかし電子と出会うと消滅し光子が放出される。
負のエネルギー（質量）をもつ電子、観測されないけど存在していると考えられている。
観測されないのはそれが連続たいとして真空をみたしているからで、そこに穴があいて初めて観測できるとかんがられているんだって。
陽子にも反陽子がある、これも通常は観測できなくて、穴をあけて初めて観測できる

原子破壊器見学
トムキンスたちは高エネルギー物理学研究所の粒子加速器（原子破壊器）を見学する。
そこではおおきな楕円のチューブのなかで磁力によって電子を加速し、それを同じく逆方向に加速した陽電子とぶつける。ぶつける前には収束磁石で軌道を鉛筆くらいの細さにするが、それでもほとんどの粒子はすれ違う。そうすることで飛び出したもの、物質の最小構成単位と現在では考えられている粒子類を観察する。
クォークにもフレーバーとかカラーチャージとかあるらしい。
現在の基本粒子と考えられているのは
6種類のクォークと6種類のレプトン
12種類の媒介粒子だそうだ。

こうした粒子を研究することで宇宙の創世の謎がとけるかもしれないと考えられているらしい。

不思議宇宙のトムキンス

• 作者: ジョージ ガモフ
• 出版社/メーカー: 白揚社
• 発売日: 2001/06
• メディア: 単行本