20世紀の物理から 21世紀の物理へ南部陽一郎（シカゴ大学名誉教授） 2005年2月15日＠京都大学時計台百周年記念ホール２００５世界物理年 – １９０５アインシュタインの「奇跡」の年日露戦争１９０４－５そのとき世界が動いた！ • ３+1+1の業績１９０５光量子仮説（量子論の始め）特殊相対論（時間と空間の統一）ブラウン運動の理論（分子の実在性）１９１６重力場の理論（宇宙論の基礎）１９２４ボース・アインシュタイン凝縮 Albert Einsｔein 1879-1955 アインシュタインの履歴書１８７９生＠Ulm (南ドイツ) チューリッヒスイス工科大学卒ベルン特許局勤務（３つの奇跡）チューリッヒスイス工科大学プラハ大学チューリッヒスイス工科大学ベルリン大学（重力場理論）プリンストン高等研究所１９５５逝去（７６歳）古典物理学の完成 • １７世紀（徳川時代のはじめ）重力と力学ケプラー、ガリレイ, ニュートン天体と林檎の統一理論 • １９世紀（徳川→明治時代）技術の進歩, 産業革命電磁気学熱力学統計力学 • ファラデー, マックスウェルクラウジウス etc. ボルツマン etc. 物理は終わったか？２０世紀に何が起こったか？物質の究極構造量子物理学新しい力時空と宇宙の構造２１世紀に何が起こるだろうか？重なイベント • • • • • • • • • 電子相対論原子構造量子力学重力理論宇宙の膨張核物理ビッグバン素粒子標準模型現在は？１. 時空 → 9+1? 3 +1 ２. 力の場 3 +1 電磁、強、弱、重力マクロの世界では 1+1のみ → n+1? ３．極小の世界３世代の基本粒子 → n? １世代＝２種の香り、３＋１種の色マクロの世界: 第３世代のみ,第１、第２不安定（3+1 世代では？）４．極大の世界（宇宙）ビッグバン膨張する宇宙時間的要素！１３７億年前（c/10,000）/1,000,000光年（人類/地球〜 1/1,000）基本粒子表 ντ 世代Ｉ t b τ ＩＩ s μ νe ＩＩＩ香り e b c νμ t b c c s u d 電荷 s u d t d u 色進歩の性格 •偶然の発見（serendipity）電子、放射能、量子現象、宇宙の膨張 •理論的予言電磁波相対論 c²t² - r² = const, E² - p²c² = const = m²c⁴ 反粒子メソンゲージ場理論 •技術の進歩真空技術, 写真技術, 加速器, コンピューター, electronics, nanotechnology 進歩は波をうつ新しい現象 → 新しい規則性と新しいモデル（実体） → 理論体系の完成 → その破れ → 新しい現象（革命的発見の意義は必ずしもすぐ認められない。） •１９００－１９３０革命的時代量子現象、原子構造、量子力学、時空の構造 •１９３０－１９８０原子核、素粒子、標準模型 •１９７０ｓ理論が実験を追い越すゲージ理論、超対称理論、大統一理論、超弦理論 •１９９０ｓ―― 宇宙物理の進歩１９３２年（第２の奇跡）ごろの世界観 •原子は電子と原子核でできている。力は重力と電磁力だけしか考えていない。 •原子核は陽子と電子でできている、と思ったらニュートロンが発見された。素粒子の数が増えた驚き。 •陽電子も発見された―初めての反粒子 •しかし原子核の本性はまったく未知。 •量子力学は原子の安定性を解決したが、量子場理論には無限大の自己エネルギーという困難がある。原子核の性質を説明ために量子力学に代わる力学が必要だろう。１９４２年 •フェルミのベータ崩壊の理論で弱い相互作用が導入された。 •さらに核力は電磁力とは別の新しい力で、それを媒介する湯川メソンという新しい素粒子があるらしい。しかしメソンは不安定。 •宇宙線の中にこれが発見されたようだが、どうも性質がおかしい。坂田は宇宙線メソンと湯川メソンとは別のものだと主張した。 •いずれにしても不安定な素粒子というものがあるのは不思議だ。 •核連鎖反応実現１９５２年 •量子場理論の困難は解決された（繰り込み理論）。新しいし力学は必要ではない！ •写真乾板技術の進歩で、湯川のパイオンも発見された。 •坂田の宇宙線ミューオンは電子の親分みたいだ。この粒子は何の用をするのか？ •重い粒子は核子（陽子とニュートロン）や、その複合体である原子核だけかとおもったら、それだけでなく、ストレンジ粒子という不安定な粒子がいくつか宇宙線の中で発見された。 •加速器の進歩のおかげで、パイオンを人工的につくれた。 •核子とパイオンが結合して新しい共鳴状態を作ることが発見された。 •加速器のエネルギを上げてゆけば、素粒子はどまだまだあるのではないか。それらの間にはどういう規則性があるのだろうか? Livingston plot, idealized ？ 1 Tev トップクオークＷ，Ｚ 1 Gev 陽子 1 Mev 電子 1930 1960 1990 2005 １９６４年 •湯川パイオン以外に新しいメソンも続々と出てきた。 •素粒子には核子やメソンのような強い相互作用をもつハドロン族と、それをもたない電子、ミューオンのようなレプトン族の２種類がある。 •ハドロンの規則性はやっと判明してきた：ＳＵ（３）、クオーク・モデルハドロンは素粒子ではない。もっと基本的な粒子があるらしい。 •しかし不思議なクオークモデル―ー分数電荷、統計が違う。クオークに色があるべきだ。クオーク間には新しい色の力があるはずだ。これが本当の強い力。 •ハドロンにもレプトンにもわれわれの世界と別のストレンジ世代があるらしい。そして世代は混じる。不思議な弱い力。１９７０年 •ハドロンのスペクトルはクオークモデルと「ひも」理論で理解できる。 •ゲージ理論で電磁力と弱い力を統一する試みがでた。 •何か新しい発展が起ころうとしている。嵐の前。１９７４年新しい革命の時代がいよいよ始まる。 •ゲージ理論の進歩：標準模型の出現ゲージ理論が電磁力と弱い力を統一する。クオークの間に強い力、色のゲージ場が存在する。クオーク閉じ込めの可能性モノポールの存在？ •第２世代のクオークとレプトンとがそろったようだ！第３世代の予言（小林・益川） •大統一理論の可能性----物理学者の夢の実現? 理論が実験を引き離して独走を始める。理論 = log(実験），実験 = 10^(理論） •超対称の可能性Ｊ/ψの出現１９８２年 •第３世代が出現！ •W, Z ボソンが確認。 •超弦理論（スーパーストリング）の出現Ｔheory of everything? 理論の飛躍―物理は終わるのか？ •陽子は崩壊するのか？われわれの世界も滅亡の運命？ •モノポールは存在するか？１９９０年 •進歩ははかどらない。焦燥の時代。 •陽子崩壊もモノポールも見つからない。 •トップ・クオークもまだ現れない。２０００年 – トップ・クオークは現れたが、なぜそんなに重いのだろう？ • ニュートリノのなぞが解けてきた！ • • でもヒッグズ・ボソンはまだでない！ＬＨＣの出現が待ち遠しい。ＳＵＳＹ粒子がでるだろうか？ • • スーパーストリング理論は発展しているが… 世界は3＋１次元ではない？しかし実際の世界とつながるのはいつだろう。 • また意外なこと： dark matter, dark energy 宇宙は加速している！新たな革命？現在は？１．時空 3 +1 → 9+1? ２. 力の場 3 +1 → n+1? 電磁、強、弱、重力マクロの世界では 1+1のみ３．極小の世界３世代の基本粒子 → n? マクロの世界: 第３世代のみ,第１、第２不安定 3+1 では？ 4. 極大の世界--宇宙ビッグバン膨張する宇宙時間的要素！２１世紀への期待 •極小から極大までの大統一の夢 •いずれわかるだろう。 ≧Tev物理 Higgs ボソンはあるか？ＳＵＳＹ粒子はあるか？新しい世代または新しい粒子は？空間は３次元以上なのか？ニュートリノはマヨラナ粒子か？陽子は崩壊するか？重力波の検出 dark matter, dark energyの正体は？ •ひょっとしたら？ローレンツの破れ？自然定数は本当に定数か？量子力学の限界？ •いつわかるかな？スーパーストリング標準模型（理論）は？質量の根源は？対称性とそのわずかな破れ：なぜなのか？ Planck energy Extended Livingston plot 10^22 10^18 ?? 10^12 1 Mev 1930 2000 2050 2100 2150