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宇宙・素粒子論の最前線 - Scienceweb
東北大学 GCOE プログラム 物質階層を紡ぐ科学フロンティアの新展開 Vol. 16 Weaving Science Web beyond Particle-Matter Hierarchy October 2012 Scienceweb 研究 研 究 紹介 宇宙の謎を探る 宇宙の謎を探る 宇宙・素粒子論の最前線 [ 連載 ] 哲学は科学を明らかにするスローサイエンス [ 連載 ] 新規採用された助教へのインタビュー 物質階層を紡ぐ科学フロンティアの新展開 ニュース 連載 哲学は科学を明らかにするスローサイエンス 第 七 回 精神，知，自己 －「汝自己自身を知れ」の近代哲学での展開の一側面－ 僕の研究の中心テーマは，一言でいえば， 「知の根源 連関する意味での「自然」にはとどまらず，国家，法， の探求」になります。僕はこの問題を近代のドイツ，い 道徳，宗教，それに芸術というように，非常に多岐に及 わゆるドイツ観念論と言われる哲学の動きに定位して究 んでいます。これらすべての中心に来るのが，そういっ 明しようと研究を続けているところです。ヘーゲルとい たすべてを自分のもの（哲学用語ではこれを実体と言い う１９世紀前半のドイツの哲学者がいます。彼の主著の ますが）にしていく活動を行う「精神」であるわけです。 『精神現象学』は非常に難解ですが，日本語訳でもかな このように言うと，ヘーゲルのいう精神をそのまま人 り読みやすいものが出ています。僕自身，高校生の頃に 間と言い換えてもいいのではないか，問われるかもしれ その翻訳に触れて大きな刺激を受けました。 ません。この問いは既に出されていたもので，近代とい そのヘーゲルの哲学の重要なキーワードとなるのが， う時代の批判と絡めて，人間中心主義というレッテルが 今挙げた主著のタイトルにあるように， 「精神」です。 ヘーゲル哲学に張られたこともかつてはありました。け 精神というと，何か具体的な形を思い浮かべられないよ れどもこの問題に対しては慎重にならなければなりませ うな，非常にあいまいなもののことを思い浮かべるかも ん。その理由として，一つには，ヘーゲル自身若い頃か しれません。けれども，ヘーゲルはそうした単なる内面 ら神学に関心を抱いていたことに示されるように，その 的なもの，私たち人間の心の中だけに存在するようなも 哲学の中に宗教が，それも非常に重要な位置を占めるこ ののことを考えているわけではありません。 とが挙げられます。宗教という神と人間のかかわりは， デカルト (1596-1650) という，ヘーゲルよりも 200 あくまで信仰の問題であって，哲学の範囲外なのではな 年程前の１７世紀にフランスで活躍した哲学者がいま いか，という人もいるかもしれません。けれども，ヘー す。彼の著作の『方法序説』に出てくる「我思う，ゆえ ゲルはこの問題をあくまでも哲学という，知の営みの問 に我あり」という言葉は，おそらくみなさん倫理の授業 題として受け止めようとします。神をすべての中心に で聞いたことがあるでしょう。ここで言われる我，ある 持ってくる，そうすればすべては一挙に解決されるでは いは「私」は，普段何気なく毎日を過ごしているような ないか，というわけにはいかないことをヘーゲルは見抜 私たちそれぞれの「私」とは違う意味で用いられていま いていました。 す。それは，デカルトが近代哲学，そして近代科学の父 キリスト教の教えの中で重要なものの一つとして三位 と言われていることから窺えるように，科学的・哲学的 一体が挙げられます。父・子・聖霊という三つの位格は に，つまり筋道立てて理論的に思考するような「私」の 一つの神という本質を ことを意味しているのです。ですが，このような「私」 なしており，互いに不 の意味は非常に限られた範囲に限定されています。 可 分 で あ る， と い う これに対して，ヘーゲルは「精神」のもとに，普段の も の で す。 こ の「 精 生活を送るような「私」から， 理論的にものを考える「私」 霊」と「精神」はドイ をひっくるめて，彼独自の哲学を打ち立てようとしまし ツ語では同じ「ガイス た。彼の関心の範囲は，デカルトやライプニッツやカン ト Geist」 と い う 言 葉 トといった人たちに代表されるような自然科学と密接に で呼ばれます。両者は ヘーゲル G.W.F.Hegel (1770-1831) 『精神現象学』(1807) 2 - Scienceweb vol.16 October 2012 ego cogito, ergo sum 我 思う， 故 に 我 あり 完全に同じ意味であるわけではありませんが，神と人間 どのようなものなのか，私の現在の研究の関心はまさに が一点に交わる点である，という意味で，聖霊の観念は このようなところにあります。このような知の活動の終 ヘーゲルの「精神」に大きな影響を与えていることは確 局は知が自ら自身を知ることにあります。けれども，そ かです。精神は，神と人間という隔たったものどうしが うだとすると，そのような「自ら」，自己とは一体何で 隔たったままに出会うところにではなくて，この出会い あるのかが改めて問われなければなりません。近代哲学 によって互いを知るという「知」のうちに成り立ちます。 では，こうした問題は，デカルトの「我」 ，ライプニッ この「知」においてはもはや隔たりは存在しない，とい ツの「モナド」 ，カントの「超越論的統覚」 ，フィヒテの うのがポイントになります。つまり，違うものどうしが， 「自我」に代表されるように」 「自己意識」の問題として その違いを自ら乗り越えて，それぞれ自分自身の中に互 論じられてきました。けれどもフロイトの深層心理学な いに相手と重なる同じものを見出す，ということにこそ どを経て，近代哲学的「自己意識」の問題は２０世紀に 精神の本質があるわけです。 なると，片隅に追いやられてしまいます。 この「同じ」と「違い」は哲学用語では， それぞれ「同 ですが，そのような状態になってしまおうとも，未だ 一性」と「非同一性」と呼ばれます。精神とは，言い換 に「自己意識」の本質の解明は十分であるとは言えませ えるならば，「同一性」と「非同一性」の「同一性」で ん。今挙げたフィヒテという，ヘーゲルと同時代のドイ あるのだ，ということが出来ます。この考えを，ヘーゲ ツの哲学者の未公刊の講義録の 1960 年代からの公刊等 ルは『精神現象学』を執筆する数年前に，既に着想して が契機となり，ディーター・ヘンリッヒ等の研究者が現 います。こうした「同一性」と「非同一性」の「同一性」 在もこうした問題の究明に携わっているところです。既 は，数学の公式のように静止したものではなくて，一定 に古代ギリシアの時代に， 「汝自己自身を知れ」という のプロセスを辿るような運動的性格を持っています。こ 言葉が語られていました。この「自己を知る」という の運動は「弁証法」とも呼ばれており，マルクスやエン ことこそ，ソクラテスが追求し続けた問題でした。 「自 ゲルスはこの弁証法を徹底的に研究することで，彼ら独 己」という一見何よりも身近なものが，実は何よりも深 自の社会理論を構築しました。それはさておき，こうし いところに根差したものであるというのは，大きな驚き た運動こそが「知」という知る営み，活動であるのです。 でしょう。これが一体どこまでの射程を有しているのか， このような考えを，ヘーゲルはもう一つの主著である ということを今後研究の成果として示すことが出来れ 『大論理学』の中で徹底的に解明しようと試みます。 ば，と思っているところです。 論理，ギリシア語でいえばロゴスそのものが一切の事 物の根源であり，原理をなしているとすれば，そしてこ の論理そのものが（単に私たち人間がということではな くて）知るという活動をするのだとすれば，それは一体 嶺岸 佑亮（みねぎし ゆうすけ） 東北大学大学院文学研究科 博士課程後期 3 年 主な研究テーマ：いわゆるドイツ観念論，特にヘーゲル哲学の論理学と 宗教哲学を中心にして，知の主体性，自己の本質についての研究を行っている。 経歴：仙台第二高等学校（宮城県），東北大学文学部卒， 東北大学大学院文学研究科博士課程前期修了，日本学術振興会特別研究員 Scienceweb vol.16 October 2012 - 3 Scienceweb GCOE NEWS NEWS アルスタウンミーティング－福島原発事故の反省と「科学と社会」の在り 方について－が開催されました 8 月 24 日 ( 金 ) に東北大学理学研究科において，アルスの会タウンミーティ ングが開催されました。本 GCOE からは野家啓一教授（写真上），直江清隆 准教授（写真下）らが参加し，講演を行いました。詳細は，アルスの会ウェ ブサイトをご覧ください。 https://sites.google.com/site/vivaars012/ ■プログラム 第１部 講演会 ・ 野家啓一（教授，東北大学）「3.11 以後の科学技術と論理」 ・ 横山広美（准教授，東北大学）「震災後の日本における科学の価値観」 ・ 直江清隆（准教授，東北大学）「原発事故と科学技術倫理」 第２部 円卓会議方式による討論 座長： アルスの会会長 中井 浩二（KEK 名誉教授） ・「国会事故調」による提言について ・「アルスの提言」( 案 ) について SEMINAR （2012 年 7 月〜 9 月） 7 月 18 日［GCOE セミナー ] 原子核物理 Interplay of relativity and three-nucleon force effects in nucleon-deuteron elastic scattering and breakup Henryk Witala 氏 （教授，Jagellonian University, ポーランド） ７月 26 日［GCOE セミナー ] 物性物理 軽元素半導体におけるキャリアドープと超伝導 斎藤 晋氏 （教授，東京工業大学） 8 月 28 日［GCOE セミナー ] 哲学・倫理学 リスク論に関するセミナー Andrew Stirling 氏（右） （教授，SPRU, Sussex Univ.ersity, イギリス） Peter McClellan 氏（左） （判事，NSW 州最高裁判所 , オーストラリア） 9 月 6 日［GCOE セミナー ] 素粒子物理 Searches for ultra-high energy cosmic neutrinos with the IceCube and ARA experiments 石原 安野氏 （特別研究員，千葉大学） 4 - Scienceweb vol.16 October 2012 ことばで紡ぐサイエンス・ウェブ 宇宙の謎を探る 宇宙・素粒子論の最前線 東 北 大 学 G C O E プログラム“ 物 資 階 層を 紡ぐ 科 学フロンティアの 新 展 開 ” は 学生や 若 手 研 究 者 の 研 究 活 動 を支 援して います。 今 回は，G C O E に宇 宙の 謎 に迫る研 究に携 わる大 学 院 生を 天 文学 専 攻と物 理 学 専 攻 から1 名ず つ 紹 介します。 量子宇宙論の紹介 6p 素粒子理論と弦理論について 8p ループ量子宇宙論における非等方性 弦理論 Scienceweb vol.16 October 2012 - 5 量子宇宙論の紹介 私が中学生だったころに読んだ本には， ている」ような気分になっているわけです。 宇宙の年齢はおよそ 100 億年から 150 億 しかし，相対論およびビッグバン理論は完全ではありま 年程度だと書いてありました。本によっ せん。過去に遡るにつれて宇宙は高温・高密度なっていく ては 200 億年と書いてあるものもあり わけですから，宇宙の「始まり」ではエネルギーや空間の ました。 ようするに， よくわかってい 曲がりが無限大だったということになってしまいます。無限 なかったのです。しかし，最近の本に 大なんていうわけのわからないものが出てきてしまうから は，宇宙の年齢はおよそ 137 億年程度 には，なにかがおかしいはずです。この無限大が出てきて だと書かれているはずです。これは 90 年代に しまう問題を「初期特異点問題」といいますが，この問題 WMAP という衛星が観測したデータから推定された値で， は相対論の範囲内では解決できそうにないのです。 信頼性は高いと考えられています。かつては机上の空論め 一方で，高エネルギーの領域では，量子力学的な効果が いていた宇宙論は，観測機器の発達に伴って実証的なもの 大きくなります。量子力学は原子や素粒子など極小の世界 になりつつあるのです。 を記述する枠組みです。こう書くと極小世界専用の理論の 宇宙についての理論はすべて，今から 100 年ほど前にア ように思われるかもしれませんが，実際は量子力学こそが インシュタインがつくりあげた一般相対性理論（以下，相 本質であり，その大雑把な記述として私たちの馴染みがあ 対論）によっています。相対論は時間と空間，そして重力 る世界が現れているとみるのが妥当です。 についての大変シンプルで美しい理論です。相対論によっ 量子力学はニュートン力学や電磁気学と別の理論という て宇宙は膨張していることが予言され，のちに遠方銀河の よりは，それらのバージョンアップの方法を教えてくれるも 観測によって実証されました。また，相対論を使うと，宇 のです。このバージョンアップによって，それまで解決でき 宙に存在する物質の量によって膨張の様子が変わることが なかった原子のまわりを回る電子や，素粒子の反応が説明 わかります。あとは観測データを組み合わせることで，宇 出来るようになったのです。 宙年齢や宇宙に存在する物質の割合などを推定することが では同じように，宇宙そのものを量子力学的に考えてや できるのです。 れば，特異点問題が解決され，本当の宇宙の始まりの様子 宇宙はいまも膨張しています。と，いうことは，昔の宇 がわかるかもしれないと考えることができます。このような 宙はいまよりも小さかったわけで，物質の密度は今よりも 宇宙についての量子力学を「量子宇宙論」と呼びます。 高かったはずです。どんどん時間を遡っていくと，宇宙初 宇宙とは時間・空間のことですから，量子宇宙論には「相 期というのはものすごく物質が高温・高密度の状態だった 対論の量子力学版」が必要になります。これは量子重力と と考えられます。それが膨張によって薄まっていき，やが 呼ばれるもので，物理におけるもっとも難しい問題のひと て銀河（星）がつくられて今に到るというのが宇宙論の標 準的なシナリオです。このような「初期宇宙は高温・高密 度の状態だったのが膨張して今に到る」という考えをビッ グバン宇宙論と言います。観測データはこのシナリオを強 く支持しています。いつ頃から水素原子が出来たのか，い つ頃からその水素が集まって最初の星などができたのかに ついてもわかってきていますから，この宇宙がたどってきた 歴史について「まぁなんとなくあらすじくらいはわかってき WMAP 衛星（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe: ウィルキンソン・マイクロ波異方性探査機） 6 - Scienceweb vol.16 October 2012 つです。完成には程遠く，いくつもの理論が乱立している 状況ですが，そのうちのいくつかでは実際に宇宙に当ては めた計算をすることができます。 量子宇宙論の最大の目的は，初期特異点問題を解決し， 宇宙の始まりの様子を調べることにあります。これまでに 提唱されてきたものとしては， 「宇宙はある大きさをもって いきなり生まれる」とするもの，あるいは「実は【前の宇宙】 東北大学大学院 理学研究科 博 士課程後期 3 年 藤尾 和也（ふじお かずや） 宇宙】になっている」と考えるものなどがあります。宇宙 論における非 ープ量子宇宙 ル ： マ ー テ 主な研究 が膨張・収縮を繰り返しているとする考えもあります。 等方性 のようなものがあり，それが収縮から膨張に転じて【今の 量子宇宙論のもうひとつの課題は「どんな宇宙がありう るのか，我々の宇宙はありふれたものなのかどうか」を考 えることです。私たちの存在するこの宇宙はほどほどに物 質があったために，銀河（星）などがつくられ，さらにそこ ，千葉大学 校（千葉県） 高 葉 千 立 市 経 歴：千葉 理学 研 究 北大学大学院 東 ， 卒 科 学 理 学 部 物理 修士課程修了 科天文学専攻 趣味：読書 に生物が誕生して今に到ります。しかし，別の可能性だっ てあったはずなのです。たとえば物質が少なすぎて星もな にもつくられないスカスカの宇宙というのもありえたでしょ うし，あるいは物質が多すぎてあっというまにブラックホー しての可能性を秘めているはずです。 「この理論によれば， ルだらけになってしまうような宇宙というのもありうるで 宇宙にはこういう痕跡が残っているはずだから，観測をす しょう。では，仮に宇宙が 100 個あったとしたときに，ど るとこんな結果がでるはずだ」というところまで計算をす れくらいの宇宙が星や生物が生まれるのに適切な量の物質 ることができれば，観測でその理論が正しいかどうか（少 をもっているのでしょうか？ 私たちの宇宙はありふれた なくとも否定されるかされないか）を判定することだって出 ものなのか，それとも極めて珍しいものなのか。量子宇宙 来るかもしれないのです。 論はこの問いに答えうるかもしれません。 宇宙のありかたについては，まだまだわからないこと， さて，ここまででお分かりになっていただけたと思いま 未解決の問題がたくさんあります。それらに対して，多くの すが，量子宇宙論はかなりエキセントリックな領域です。 理論が提唱されています。これらは同じ理論のなかでの微 40 年近い歴史を持つうえに，かの有名な車椅子の天才物 調整というよりは，まったく異なるアプローチをとっている 理学者・ホーキング博士も何本も論文を書いているという ようなものです。ですから，ある理論が 「正解」であったとき， 由緒正しきジャンルなのですが，そもそも宇宙の始まりがど ほかの理論は大はずれということになるでしょう。むしろ， うとか言っている時点で正気ではないことは明らかですし， いま考えられているものはすべてはずれかもしれません。 なんともいえないいかがわしさがあります。 しかしそのはずれの理論も，過去の間違い理論とそれに しかし，大事なことは，これらの結果がまがりなりにも 振り回された人々――天動説にもとづいて惑星の動きを説 計算から出せることです。相対論は，信用できる。量子力 明しようと頑張った人たちや，光を伝えるエーテルについ 学も，信用できる。したがって，それらを組み合わせた量 て悩みつづけた人たちなど――と同じくらいには，科学の 子宇宙論は， 「単なるお話」ではなくて「科学の理論」と 歴史に貢献できるのではないでしょうか。 Scienceweb vol.16 October 2012 - 7 素粒子理論と弦理論について 素粒子理論について 素粒子理論は標準模型が与えられたことによって大きな 私は，素粒子理論の一つの分野である弦理論というも はミクロ ( 微視的な ) なスケールで理解されておらず，重力 のを専攻しており，特に弦理論の背景にある時空の幾何 は標準模型の枠組みに含まれません。この重力のミクロな 学というものを研究しています。まず，弦理論の説明を スケールでの物理を理解する理論の候補として提唱された する前に，素粒子とは何かという話から順を追って説明 のが私の専攻の弦理論です。 します。素粒子というのは物質を構成する最も基礎的な ” 粒子 ” を指します。例えば，物質の最小単位の例として 中学で習う電子というのがよく知られています。また， 成功をおさめました。しかし，最も馴染みのある重力理論 弦理論とその研究について 素粒子を結びつける力も素粒子の一つであり，電磁相互 素粒子はどのような形をしていると思いますか？現在の 作用は光子と呼ばれる粒子を伝搬させることによって力 観測可能なスケールでは，素粒子は 0 次元空間の点として が働きます。これら光子や電子というのは素粒子の例と 扱うことができます。しかし，本当にどこのスケールでも して知られています。 素粒子が ” 点 ” なのでしょうか。実は，弦理論というのは， このように素粒子理論というものは微視的な物理現象を 素粒子を重力の効果が現れる程のミクロなスケールで 1 次 扱う学問です。当たり前のことですが，日常生活ではまず 元の弦と仮定した理論です。弦には開いた弦と閉じた弦の 素粒子の 1 つ１つを知覚できません。それではどのように 2 種類あり，弦には振動する自由度があります。開いた弦 素粒子理論を検証するのかというのを次に話します。１つ１ や閉じた弦，または，その振動数に応じて弦が光子や重 つの素粒子に分けるためには結合を切る程の非常に高いエ 力子に対応すると解釈できます。このように素粒子を点か ネルギーが必要になります。そこで，加速器と呼ばれる装 ら弦に拡張をすることで，重力理論を自然に含むことがで 置で多くの粒子を光速に近づくまで加速させ，それらの粒 きることが知られています。また， 弦理論は重力だけでなく， 子を衝突させることによって素粒子を生成することができ すべての力の統一理論としても期待されています。 ます。この衝突させた後に生成された粒子を測定器で測定 それでは，弦理論は実験で観測されるのでしょうか？重 します。最近では，スイスの CERN にある LHC( 大型ハド 力のミクロなスケールでの効果は，加速器実験でも到底到 ロン衝突器，Large Hadron Collider) で高エネルギー粒子 達できない程の非常に高いエネルギースケールで現れると の衝突実験が行われており，質量の起源とされるヒッグス 考えられています。したがって，弦理論も実験で直接観測 粒子が見つかったというニュースは記憶に新しいと思いま することができません。そのため，弦理論は理論の整合性 す。また，素粒子理論は標準模型というのが与えられており， が非常に重要であると考えられ，数学を基盤にした研究と 標準模型はこのような加速器実験によって非常に高い精度 いうものも行われています。数学を基盤にした研究を行う で検証されています。 ためには，物理の知識だけでなく，非常に高度な数学の知 弦には開いた弦（左）と閉じた弦（右）の 2 種類あ り，振動数によって様々な素粒子に対応する。標準 模型に含まれる素粒子や重力子は振動数零に対応 する。 8 - Scienceweb vol.16 October 2012 弦理論には D ブレーンと呼ばれる高次元の膜が含 まれる。D ブレーンは開いた弦の端点を許す空間と して定義される。 識を必要とすることもあります。 特に，私が現在研究しているのは弦が住んでいる時空の ( 拡張された ) 幾何学というものについてです。私は弦理論 を幾何学として特徴づけて，弦理論の性質や構造を調べて います。特に，私の論文では弦理論に現れる D ブレーンと 呼ばれる高次元の膜に対して幾何学的な解釈を与えました *。 物理学の面白さ 物理学だけでなく科学や学問全般にも言えることかもし 東北大学大学院 理学研究科 博 れないですが，物理学は万物の (universal) 法則を探求す 士課程後期 2 年 佐々 周平（ささ しゅうへい） る学問だと思います。例えば，ニュートンの万有引力の法 則を例に考えてみましょう。まず，リンゴが落ちるというの は日常の経験上当たり前で，気に留めるまでもないように 思えます。その中で，ニュートンはリンゴが落ちることを一 マ：弦理論 主な研究テー 県），東北 等学校（宮城 高 院 学 北 東 経歴：私立 理学 研 究 科 卒，同大学院 科 学 理 物 部 大学理学 士課程修了 物理学専攻修 ，映画鑑賞 趣味：音楽鑑 つの手掛かりにして，万物の物には引力が働くという万有 引力 (universal gravitation) に気付きました。ここでは万物 というのがポイントで，万物に引力が働くことから，星の運 動も引力 ( 重力 ) によるものであると説明できます。単にリ ンゴが落ちるということと星の運動が関係するのですから 面白いと思います。 研究室や研究方法について 会話して身につけられます。高校生には趣味でも興味持っ 私は東北大学の素粒子・宇宙理論研究室というところ たことでも相手の反応をみながら自分の主張を相手に伝え に所属しています。研究室としては規模が大きく，他の るということを意識的に練習して欲しいです。 研 究室と比べてスタッフの数は特に多いです。素 粒子・ (Theory) から，LHC などの加 速 器 実 験に関する現 象 論 最後に (Phenomenology)，素粒子論的な宇宙論 (Cosmology) な 勉強というものは誰かが理解したことを本で読んだり， ど様々な研究が行えます。 教えてもらったりして学ぶものです。研究というものは勉強 私の場合の研究方法について少し説明します。研究は主 と違って，誰も理解していなかったことや誰も気づかなかっ に，1, 紙と鉛筆を使って計算し，2, 論理を構成して，3, 共 た問題に挑戦することです。そこが面白いところであり，難 同研究者と議論をするという風に進めて行きます。基本的 しいところです。新しい問題に挑戦するということは研究 にはこの 3 つの行程の繰り返しです。もちろん，研究の前 に関わらず，他の最先端の分野にも共通することだと思い にどの程度のことが共通に認識されていることなのかは他 ます。そのため，単に与えられたことだけをこなすのでは の人の論文を読んで調べなければなりません。研究内容が なく，高校生にはやるべき事をやった上で自分が興味持っ ある程度まとまったら，共同研究者と一緒に研究内容を論 たことに何でも挑戦してもらいたいと思います。 宇宙理論研 究では私の行っている弦理論のような理論 文にまとめて，論文を学術雑誌に投稿します。学術雑誌に 投稿する論文は英語で書かなければなりません。論文を書 脚注 いたら，論文の内容を研究会やセミナーで発表します。 * 次の論文は私と共同研究者で書いた論文です。論文はインターネッ 議論や研究成果の発表の際に必要になるのは論理力と トから簡単に手に入るので，論文を眺めてみると研究の雰囲気が分 コミュニケーション能力です。論理力は数学と関係し，コ かるかもしれません。Google などで検索すれば簡単に見つかります。 ミュニケーション能力は国語の力と関係します。しかし， T. Asakawa, S. Sasa and S. Watamura, “D-branes in Generalized 実践で使うための論理力やコミュニケーション能力は人と Geometry and Dirac-Born-Infeld Action,” arXiv:1206.6964 [hep-th] Scienceweb vol.16 October 2012 - 9 連載 第十三回 新 規 採 用 さ れ た 助 教 へ の イ ン タ ビ ュ ー 東北大学 GOE プログラム “ 物質階層を紡ぐ科学フロンティアの新展開 ” では， 平成 24 年度も新たな助教を採用しました。 今回は天文学と物理学を研究する三名にお話を伺いました。 宇宙の ると宇宙はどこも同じように見えるのですが，そういっ た一様性が説明出来ないのです。これらの問題は，ビッ グバンより前にインフレーションという急激な膨張があ 誕生を見る ると，きれいに解決出来ることが分かっています。宇宙 は３次元空間ですが，分かりやすいよう次元を落とし て 2 次元平面と考えると，ちょうど凸凹な地形をものす ごく引き延ばしてやれば一様で滑らかに見えてくるのと 原理的には同じになります。しかしインフレーションは 「何が」原因で「どのように」起こったかは宇宙論上の 大きな謎で，それが分かれば新たな物理の発見にもなる - 研究内容を簡単に教えていただけますか。 でしょうし，全く謎ならば問題を新たな問題にすり替え 宇宙論という分野で宇宙がどのようにできたかに興味 ているだけなのかも知れないのです。なのでこのインフ を持って研究をしています。特にインフレーションと呼 レーション時代の宇宙をきちんと観測的に調べるという ばれる時期の宇宙が，背景放射や銀河の観測からどのよ のは，宇宙論や基礎物理学にとって特に重要な課題の一 うに見えるかを，理論的な手法で探っています。このイ つだと思っています。 ンフレーション理論というのが研究の要ですので，少し インフレーションはだいたい宇宙の誕生後 10-44 秒か 説明させていただきたいと思います。 ら始まり 10-34 秒に終わったとされています。宇宙の年 宇宙はビッグバンという高温高密度の状態から徐々に 齢は 137 億歳なので，途方もない過去の一瞬の出来事な 膨張してきたということは，物質がプラズマ状態だった のですが，現在の宇宙にはこのインフレーションの痕跡 時代に放射された電磁波 ( 宇宙マイクロ波背景放射 ) の がちゃんと残されているのです。急膨張によって引き延 観測等から実証されています。しかしながら，ビッグバ ばされた宇宙は水面のように平でほぼ滑らかになります ン理論というのは色々問題があって，例えば大局的に見 が，同時に量子的な揺らぎによって「さざ波」も作ります。 このさざ波自体はフラクタル図形のようにどんなに引き 延ばしても滑らかにならないので，インフレーション後 にも残って，銀河や銀河団，果ては地球から生命にいた るまでの様々な構造の種となります。なのでマイクロ波 背景放射の温度揺らぎや銀河の分布のばらつき方を観測 することで，逆に種となる「さざ波」を復元して，様々 なインフレーションの理論モデルと比べることができる のです。 インフレーション宇宙モデルの描く宇宙 （佐藤 勝彦氏ホームページ http://www-utap.phys.s.u-tokyo.ac.jp/~sato/ より ) 10 - Scienceweb vol.16 October 2012 天文学専攻 助教 新田 大輔（にった だいすけ） 経歴：金津高校（福井県），金沢大学卒，東北大 学理学研究科博士課程前期修了，同大学理学研 究科博士課程後期修了 趣味：楽器演奏，お酒 - 研究の手法とはどのようなものでしょうか。 - 東北大学に来たきっかけは。 インフレーションを実証するには，マイクロ波の背景 大学の学部生の時に NASA の WMAP という観測衛星 放射や銀河分布などのゆらぎを精密に観測する必要があ の結果が出てきて，宇宙の年齢や形など，子供のころか ります。私は理論的な研究をしているので実際に観測は ら知りたかったことが明らかになってきました。それ しませんが，観測したデータから得たい情報を読み取る で観測的宇宙論はすごいなと思って興味を持ったのです ための方法やその方法を使うとどう見えるのかを計算す が，当時私は金沢大学の学生でそこには宇宙論の研究室 る必要があります。主な手法としては，先ほどのさざ波 がなかったこともあって，東北大学の院に来ました。二 の例えでいうと，波の凸凹の大きさを統計的に調べるこ 間瀬先生の研究室に入ったのですが，当研究室からは一 とになります。ある範囲で波の振幅を 2 乗してから平均 流の研究者が何人も出ていて，その中に偶然にも WMAP すると，その範囲での波の大きさが分かりますが，3 乗 のメンバーの方がおられたのは驚きました。 して平均するとその波の非線形性が分かります。つまり 重ね合わせの原理が成り立つ波かそうでないかがわかり - 最後に，後輩に向けてひとことお願いします。 ます。その値は波の媒体の物理的な性質によりますが， 学生時代を振り返えると，もっと運動しとけばよかっ 同じように宇宙観測から得られた揺らぎの非線形性に たなと思います。バイトや部活でもよいですが，体を動 もインフレーションを起こす何か ( 場 ) の性質が含まれ かす経験は後々研究の活力や行動力に繋がっていくので ています。そうしてある理論モデルを用意してそこから はないかと思います。 種々の統計を理論計算し，観測と比べることで徐々にモ デルを絞っていくことをやっています。 注 :WMAP ＝ Wilkinson Microwave Anisotropy Probe WMAP による 2.7K 宇宙マイクロ波 背景放射 (CMB) の全天温度分布の 観測。温度揺らぎは 10 万分の 1。 Scienceweb vol.16 October 2012 - 11 連載 第十三回 新 規 採 用 さ れ た 助 教 へ の イ ン タ ビ ュ ー 超対称性から 素粒子の物理に迫る - 研究内容を簡単に教えていただけますか？ 論の計算をする際にやっかいな「無限大」の困難（の一部） を両者の粒子で打ち消してくれたり，計算を楽にしてくれた 一言で言うと「超対称性を持つ場の量子論を用いた素粒子 りします。 （残念ながら，現実の世界には同じ質量のフェル 物理学の研究」ということになります。場の量子論と言う ミオンとボソンは存在しないので厳密な意味での超対称性 のは現在の素粒子物理学を研究する上で最も基礎となる理 は成立していません。）特に，粒子同士に働く力（相互作用） 論で，量子力学とアインシュタインの（特殊）相対性理論 が強い場合には，通常の場の量子論では計算が困難なの を矛盾のないように融合した理論です。場の量子論による ですが，超対称性を持つ理論の場合には超対称性のおか と，世の中に存在する全ての素粒子は，それぞれの粒子に げで計算が可能になる場合があります。私の研究では，こ 固有の「スピン」と呼ばれる角運動量を持っていることが分 の超対称性を持つ場の量子論の特性を用いてクォークの閉 かっていて，このスピンの値によって二つのグループに分か じ込め問題を始めとする場の量子論の相互作用が強い領域 れます。一つのグループは電子や陽子などのフェルミオンと の物理にアタックしています。特に，超対称性を持つゲー 呼ばれるスピンの値が半奇数（1/2, 3/2, …）の粒子で，も ジ場の量子論の相互作用が強い領域の解析では磁気単極 う一つのグループは光子（光の粒子）や中間子などに代表 子が重要な役割を果たすことが知られており，電磁気学で されるボソンと呼ばれるスピンの値が整数の粒子です。フェ は存在しないと学んだ磁気単極子と，同じく単独では存在 ルミオンとボソンは量子力学的に非常に異なった性質を持 できないクォークの物理とが関係しているようで非常に興 つのですが，これらの粒子を互いに変換するのが超対称性 味深いと考えています。また，超弦理論の研究から生み出 変換と呼ばれるものです。通常の回転対称性や反転対称性 された AdS/CFT 対応と呼ばれるアイデアによると，この超 などではこのような変換は生じないので， 「知られていた対 対称性を持つゲージ場の量子論の物理とアインシュタイン 称性を超えるもの」というような意味で「超対称性」と呼 の重力理論から予言された謎の天体「ブラックホール」の ばれています。この超対称性は同じ質量のフェルミオンと 物理が関係していることが示唆されており，この対応を通 ボソンの存在を要請するのですが，そのおかげで場の量子 じてブラックホールの物理にも興味を持っています。 クォークの物理（左）とブラックホール（右）の物理が互いに関係している ？ 12 - Scienceweb vol.16 October 2012 物理学専攻 助教 横井 直人（よこい なおと） 経歴：宇治山田高等学校（三重県），大阪大学卒， 同大学大学院理学研究科物理学専攻博士後期課 程修了，東京大学宇宙線研究所，CERN 理論部， 京都大学基礎物理学研究所，ピサ大学物理学科， 理化学研究所，東京大学大学院総合文化研究科 研究員 趣味：バドミントン，スポーツ観戦，読書など - この分野に興味を持ったきっかけは？ - 研究していて，面白かったこと，つらかったことは？ 子供のころから星や宇宙に興味を持っていたので宇宙に関 研究する上で一番大変かつ面白いのは，自分で面白いと思 する勉強をしたいと思っていたのですが，大学に入って宇 える問題を設定するところだと思います。そして，その設定 宙を理解するには素粒子のことも知っておかないといけな した問題に従って計算していく訳ですが，その結果が予想 いと知り，素粒子物理に興味を持ったのが最初のきっかけ していた通りになったり，または予想を超えて面白い結果 です。また，現在の素粒子物理学の標準理論は「ゲージ場 が出てきたときは嬉しくなります。 の量子論」で記述されており，この理論は相互作用が弱い 逆に，問題設定が上手く出来ていなくて，計算がどこかで 場合には成功を収めていますが，相互作用が強くなった時 立ち止まってしまったり，どうしても答えまで辿り着けなかっ にどうなるかを計算することは非常に困難です。ちょうど僕 たりすると少し落ち込みます。 が大学院に入学した頃に，超対称性を持つゲージ場の量子 また，この研究のおかげでヨーロッパの研究所や大学で研 論の場合には相互作用が強い場合でも計算できる量がある 究する機会を頂いたのですが，言語も文化も違う国の研究 ことが色々と分かってきました。大学院生の時に，これら 者と同じ研究テーマについて顔を突き合わせて議論したり の研究の発展を目の当たりにしたのが超対称性を持つ場の 共同研究したり出来たのは非常に興味深い経験でした。 理論を研究するきっかけになったのだと思います。最近で は，この超対称性を持つゲージ場の量子論を用いたブラッ - 最後に，後輩に向けてひとことお願いします。 クホールの物理の研究にも興味を持っており，子供のころ の興味に戻ってきたのかもしれません。 - 研究の具体的な手法とはどのようなものでしょうか？ 物理学を勉強していると，次々と勉強しないといけないこ とが出てきて「どこまで勉強すれば良いのか」と思うことが あるのではないでしょうか？ 実際，僕も大学生の時には， そう思いながら講義に出ていた記憶があります。ですが， 実際の研究方法としては，様々な関連する論文を読んで， 結局，大学院に進んでも，大学院を出てからの研究生活で 自分で問題を設定し，その問題を解決するための計算を実 も，新しく勉強することが次々に出てきて常に勉強に追わ 行する，この繰り返しです。また，同じようなテーマや問題 れていたように思いますし，今でもそれは変わりません。ま に興味を持つ共同研究者の方々と一緒に議論し，協力しな た， それが研究の面白さでもあります。逆に今となってはもっ がら計算を進めることが多いです。計算は基本的には自分 と勉強しておけば良かったと後悔する日々です。皆さんも分 の手で計算することが多いですが，コンピューターを使用 野を問わず，興味のおもむくままに幅広く勉強しておけば， する場合もあります。 後々どこかで必ず役に立つはずです。 Scienceweb vol.16 October 2012 - 13 連載 第十三回 新 規 採 用 さ れ た 助 教 へ の イ ン タ ビ ュ ー 極小の世界での 自然との対話 - 研究内容を簡単に教えていただけますか。 ミューオンの異常磁気能率は，実験的に非常に精密に測 られています。また，理論的にもとても高い精度で計算さ 素粒子物理を理論面から研究しています。とくに，実験 れています。ところが今のところ，この二つの値は，少しだ データや観測結果をヒントにして，既に確立している素粒 けズレています。何が理由かはわかっていません。もしか 子物理理論（素粒子の「標準模型」と呼ばれます）を越え すると，標準模型を越える物理からの寄与があるせいでズ る新しい素粒子物理は何だろうと考えたり，標準模型を越 レが見えているのかもしれません。大学院修了後の僕の研 える物理を近い将来の実験や観測で探るにはどうすればよ 究テーマの一つは，この理論的な予言値の精度を上げるた いか考えたりしています。一般に，素粒子現象論と呼ばれ めの研究です。 る分野です。 最近の僕の研究から一つ具体例を紹介しますと，ミュー - この分野に興味を持ったきっかけは。 オンの異常磁気能率についての研究があります。 電子やミューオンはスピンという量を持っているのです 何か一つのことがきっかけで今の分野をしようと決めた が，スピンがあることによって，これらの粒子は，あたか ということではなくて，いくつかのことの組み合わせの結果， も小さな磁石であるかのように振る舞います。この磁石の 今の分野をすることにだんだんと決まっていった，というほ 強さは「場の量子論」の枠組みで計算できます。最も簡単 うがより正確だと思います。いくつかそのようなきっかけに な近似ではこの強さは（ある特定の単位で）２なのですが， なったと思われるできごとをお話ししましょう。 さらに近似の精度を上げると， ２からずれます。このずれ （正 最初は中学の頃，理科の先生が授業中に万有引力につ 確には２からのずれをさらに２で割ったもの）が，異常磁気 いて触れたことだったかと思います。ニュートンによると， 能率と呼ばれます。 すべての物体は引き合っている，例えば我々人間同士も， 人間とチョークも，それぞれの質量に比例した微小な力で 引き合っている（距離の二乗に反比例する，という点にまで 先生がそのとき触れたかどうかは記憶が曖昧です）。ただ 地球の質量が桁外れに大きいことが理由で，地球上のすべ ての物体は，万有引力の合力として真下にひきつけられる のだ，と。自分がそれまで考えたこともなかったような革 新的な考え方で，しかもとてもシンプルな原理に基づきな がら重力が下向きであることが自然に理解できる説明だっ たので，目からうろこが落ちるような衝撃的な感覚だった のを今でも覚えています。 ミューオン異常磁気能率の計算に現れる ファインマン図の例。 14 - Scienceweb vol.16 October 2012 物理学専攻 助教 野村 大輔（のむら だいすけ） 経歴：洲本高校（兵庫県），東京大学卒，同大学 院理学系研究科博士後期課程修了，学振特別研 究員，英国ダラム大学，米国ミシガン州立大学， 高エネルギー加速器研究機構 趣味：車の運転（ただしそれほど上手いわけでは ない） 次は高校一年の物理の授業中，自由落下する質点につい - 研究していて，面白かったことは。 て，運動エネルギーと位置エネルギーの和が常に保存して いるのだ，ということを先生が授業で示されました。これ 小さなアイデアでも，自分で考えたり思いついたりしたこ もとても印象的でした。自然界には，人間の力のとても及 とを論文として作り上げる段階は苦しいながらもとても楽し ばないような，何か深遠な原理が働いているのだろう，と く，そしてそれを完成させたときが，やはりとてもうれしい おぼろげながら感じました。なにかとても恐ろしいものを見 です。モノづくりの楽しさに似た楽しさを感じます。 たかのような感覚でした。そういうことが意識の奥底にあっ ほかにも，例えば誰かほかの人の論文を読んだりセミナー て，物理法則に対する興味が徐々に強くなったのだと思い を聞いたりして，その人の考えていることが理解できると， ます。 それがよいアイデアだった場合，何かとても得をした，とい それから，大学に入ってすぐの頃， 「寺田寅彦随筆集」 う気分になることがあります。逆に，なんだつまらん，と思 と出会いました。この本は随筆ですからいろんなことが書 うこともよくありますが。 いてあるのですが，なかでも物理についての記述に強く影 響を受けました。彼は，たとえば金平糖一粒あたりの角の - 最後に，後輩に向けてひとことお願いします。 個数は大体一定しているようだが，なぜそうなるのかわかっ 研究者を目指すなら，学部の間に授業で習うことは本当 ていない，という意味のことを指摘します。そのように身近 に基礎的なことばかりですから，とにかくそれをしっかり身 なところに問題を見つけ出す観察眼の鋭さ，しかもそれが につけてほしいと思います。 普遍的な意味のありそうな問題であることに感激しました。 それから，研究者にとって英語は必須です。あらゆる機 さっきも少し触れましたが，僕が素粒子物理に対して実験 会をとらえて英語力 （読み書きだけでなく， 話したり， 聞きとっ に近い立場からアプローチしているのは，この随筆の影響 たりする力も） をつけるよう心がけるのがよいと思います。 （こ もずいぶんあったのだと思います。 れは過去の自分への反省も込めて，ですが。 ） こういうことの積み重ねで，だんだんと今の分野をやるこ とになっていったのだと思います。 2010 年度（第５回）中村誠太郎賞の賞状。 この賞は広い意味での素粒子論を研究する 者のうち，大学院生，ポスドク，任期が５ 年以内の常勤職に就いている者の中から， 2006 年以降，毎年２名程度に贈られている。 Scienceweb vol.16 October 2012 - 15 ■理学研究科 数学専攻 物理学専攻 天文学専攻 ■ニュートリノ科学研究センター ■電子光理学研究センター ■サイクロトロン RI センター ■原子分子材料科学高等研究機構 ■大学院文学研究科 文化科学専攻 哲学講座 〒980-8578 仙台市青葉区荒巻字青葉 6-3 東北大学ニュートリノ科学研究センター内 GCOE 科学支援室 電話：022-795-6725 E-mail：[email protected] URL：http://www.scienceweb.tohoku.ac.jp