宇宙と素粒子と量子力学の本と、メダカ

こんにちは、メダカ飼育担当のメダたんです。
突然ですが、メダたんは学生時代、化学を専攻していました。今の仕事も化学系です。以前は生物よりの化学系の仕事が多かったけど、最近は物理よりの仕事が増えています。ここで1つ問題が。理系の多くは高校時代、物理/化学か化学/生物を選択すると思いますが、メダたんは化学/生物を選択。高校生レベルの物理もわかってない可能性大…😱 少しでも挽回するために、まずはYouTube。物理学者の野村泰紀さんが、全4回で古典物理から最新の超弦理論まで、ほとんど数式を使わず説明してくれる動画を見ました。
（1番化学に近い量子力学の回のリンクです↓）

何回か見返した箇所もあったけど、動画は何とか理解できた😃 そして、この野村泰紀さんが書いた「なぜ宇宙は存在するのか」という本も読んでみました。宇宙っぽいタイトルですが、素粒子物理学や量子力学にも触れられる本です。

正直、YouTubeと違ってすべては理解できませんでした😅 そしてYouTube→本の順番が逆だったら、すんなり読めなかったかも。やはり物理の壁は厚い… しかし、既知の法則では説明できない事象が発見されたら新たな理論を考え、実験や観測によって理論が正しいこと（あるいは間違っていること）を確認する、ということが繰り返されて今の物理学があり、現在でも超弦理論やマルチバース理論のように今後の検証を待っている理論がある、なんだかワクワクする物理の世界を見ることができました。

自分が化学系だからか、この本での1番の興味は原子でした。物理の本を読んだのに、化学に戻って来ちゃった😳 今、この世界や私たち自身を形成している原子の誕生についても書かれています。
宇宙誕生からの流れを時系列に並べてみました。

• インフレーション（宇宙超初期の爆発的な加速膨張）

• ビッグバン（宇宙初期の高温高密状態）になる

• 超超高温：陽子も中性子も存在しない、素粒子の世界（陽子や中性子は複数の素粒子でできている）

• 超高温：陽子と中性子は存在し、陽子と中性子が入れ替わり可能な状態

• 少し温度が下がる：陽子と中性子が入れ替わりできなくなり、陽子と中性子の比が固定されてくる（陽子＝原子核である軽水素以外の原子核は、陽子と中性子でできている）

• 約1〜10分後：ビッグバン原子核合成（水素〜ベリリウムまでの原子核が合成される）

• 約38万年後：原子核が電子を捕捉して原子になる

• その後：上記の元素を含む第一世代の恒星ができ、恒星の中心部でより質量数の大きい元素が合成され、第一世代の恒星が寿命を迎えて爆発する

• さらにその後：第一世代の恒星の爆発で吹き飛ばされたガスから、第二世代の恒星ができ、さらに第三世代の恒星ができる（太陽はココで、そのため太陽系の惑星には重い元素が十分に含まれてる）

お馴染みの元素である水素、炭素、酸素、窒素のうち、水素以外の元素は宇宙誕生のずっと後にできたとは、イメージと全然違いました。

ここまでは何となく理解しましたが、ここから先は「理解した」ではなく「知った」というレベルです。勘違いもあると思いますが、どうかご勘弁を😓

この本の中には「揺らぎ」という言葉が何回も出てきます。初期宇宙はほぼ一様だったが10万分の1程度のわずかな密度の揺らぎ（密度の偏り）があり、このわずかな揺らぎが、恒星、銀河、銀河団など現在の宇宙の構造の元だそうです。そして、この初期宇宙のわずかな揺らぎの元は、ビッグバン直前のインフレーション中の揺らぎで、このインフレーション中の揺らぎは量子力学の効果とのこと。

量子力学。これを化学分野に応用したのが量子化学です。難解な数式と共に登場するため、化学を学ぶ学生（というか過去のメダたん）の心は砕かれてしまうのですが… これを使うと、原子の中にある電子の位置が確率分布として求められます。この辺は自分の理解が正しいか自信ないので… 良さげなリンク貼っておきます😅

量子力学に話を戻すと、「量子力学を特徴づける性質のなかで重要なものの1つに、粒子は一般に1つの場所に存在することはなく、同時に様々な場所に確率的に存在するということが挙げられる」そうです。なんのこっちゃ、ですよね？私も何となくしかわからず、要約すると間違えそうなので本から完全にコピペしました😅 しかし、何となくですが「量子力学＝存在確率/確率分布」というイメージがあり、「確率＝現実世界では場所によってちょっと偏る」と解釈しています。
この量子力学の確率的な性質により、インフレーションを引き起こした場は完全には一様でなく、少しだけ揺らいでいた（場所によって確率的に変動していた）。そのためインフレーション後に始まるビッグバン宇宙も、ほぼ一様だけど温度や密度がわずかに変動していた。初期宇宙に10万分の1程度のわずかな密度の揺らぎがあり、密度の高い領域により多くの物質が引きつけられ、密度の高い領域はより高く、密度の低い領域はより低くなり、その結果が恒星、銀河、銀河団など現在私たちの見ている宇宙の姿だそうです。
量子力学/化学、ニガテー、キライーとずっと思っていましたが、今のこの世界は量子力学のお陰だと思うと、だいぶ好印象に変わりました。

トップの写真は、メダカの自然な様子を撮ろうとスマホを向けたら、ものすごい勢いで寄ってきて不自然な写真しか撮れなかったメダカたちです。量子力学で有名な二重スリット実験＊で、観測しようとすると結果が変わってしまうエピソードにちなんで、このメダカの写真を載せました。そーっと写真を撮ろうとしても、その行動がメダカに影響大のため、なかなか自然体の写真が撮れません😅

＊　二重スリット実験：スリットが2本ある板に向かって電子を1コずつ発射して、スリットを通過した電子が板の向こう側にあるスクリーンのどこに到達したかを観測したときと、電子がどちらのスリットを通過したかも検出しつつ同じように電子を1コずつ発射して観測したときで、結果が異なるという実験。上のYouTubeでも紹介しています。

おまけ
スマホなんて全く気にしない、お食事中のメダカの写真もどうぞ！