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重力を説明する粒子グラビトンってなに?【素粒子】

ニュートリノやヒッグス粒子といった素粒子がニュースでもぽつぽつ耳にするようになり、それらに興味を持った人たちが気軽に読めるようまとめてみました。多少の専門用語はご容赦ください(-_-;)【おかしなところは随時修正します】

更新日: 2015年11月11日

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warm7さん

グラビトンって単語聞いたことありますか?

グラビトンは重力をつかさどる粒子で、重力そのものを説明する上で非常に大事な役割を持つとされます。そんなグラビトンを数式を使わないで説明していきます。

※難しい言葉は極力使っていません!ご安心を。

▼まず重力とは?

理論物理学者の大栗博司先生のイラストです。

重力はニュートンがニュートンの法則によって説明をし、アインシュタインが一般相対瀬理論でもって原理を読み解いた力のことです。

質量あるものは互いに引き寄せられる万有引力において、その現象を引き起こす力のことです。

質量をもつから我々は地球に引っ張られるわけですね。

しかし、未だに謎の多い原理のひとつです。

▼この世界には4つの力が存在する。

この世界には"重力"、"電磁気力"、"弱い力"そして"強い力"の4つがあります。

重力は地球に引っ張られる力のことですね。
電磁気力は磁石が金属を引っ張ったり、電流の流れを説明したりします。

弱い力と強い力は原子核内部の構造に関わる力です。

原子核は陽子と中性子からっ出来てましたよね?
どちらも質量は非常に小さいのにも関わらず、原子核は固く結びついています。
ここに強い力が働いているんですね。
さらにその中性子はニュートリノと電子と陽子からできており、これら3つを結び付けているのが弱い力になります。

中性子(オレンジ)が陽子(水色)とWボソン(グレー)に分かれ、さらにWボソンは電子(黄色)と電子ニュートリノ(紫)へと別れるのが弱い相互作用です。

重力以外の3つの力はすでに解明されている。

電磁気力は光子(こうし)を、強い力はグルーオンを、弱い力はWボソンとZボソンをそれぞれ伝達粒子として力を伝えている。(光子、グルーオン、Wボソン、Zボソンは素粒子)

力を伝えるものが粒(素粒子)とは驚きですね(・。・;

例えば電磁気力では電子と陽子が光子をキャッチボールしながら互いに近づこうとしている(?)イメージです。

両者の間を光子はいったりきたりしています。

未発見な重力を媒介する伝達粒子、それがグラビトンです。

未発見なので本当にあるかは謎である。

見つからない理由は重力が他の3つの力に比べて小さいため。

4つの力のうち、もっと力が大きいのは強い力である。
強い力の大きさを1とすると、ほかの3つの目安はそれぞれ以下の通りになる。
強い力 =1
電磁気力=0.01
弱い力 =0.00001
重力  =0.0000000000000000000000000000000000000001

金属は磁石につけると、落下せずにくっついたままである。
これからも重力は電磁気力より弱いとわかる。

重力の大きさが小さい分、その伝達粒子グラビトンは見つけるのは非常に困難になります。

▼理論物理学者の野望

超弦理論の第一人者ジョン シュワルツ

一般相対性理論にて重力を説明できることがわかっているが、物理学者は満足しないんだそうです。

物理学者は4つの力をたった1つの原理で説明し、4つの力を統一したいと考えている。

実は電磁気学と弱い力、強い力の3つはすでに大統一理論で1つにまとまっています。
あとは重力だけ!

重力を量子力学の枠組みの中に入れること、つまり量子重力の理論ができれば、究極の理論の実現に大きく近づく。

統一された重力を"重力の量子化"、あるいは"量子重力"などと言います。

しかし、いまだに重力だけはうまくできてません。

重力は一般相対性理論、他の3つの力は場の量子論(量子力学)で記述されます。
どちらも実験で正しいとわかっているのですが、この2つを1つにまとめるとなぜか矛盾が生じてしまうのです。

それを解決するのが"超弦理論"である。超弦理論は一般相対性理論と場の量子論を統一する理論だと言われてます。

図の左下の数式はアインシュタイン方程式、右下の数式は素粒子の性質を示すラグランジアン(関数)で、この2つを合わせたのが上の数式である。

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