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『神の粒子』の説明するための準備

2012年CERNのLHC加速器を利用した実験で『神の粒子』(God Damm Particle という話も・・・)がとうとう発見され、素粒子物理学の標準模型がひとまずの完成を見たというか、その実験的検証があるレベルで完了したといえる。今年はとうとうノーベル物理学賞テーマとなって、めでたしめでたし。チャンチャン!って事なのかとおもう。

 

で、いろいろな理由・環境・条件・はてさては因果応報か、ちょっと説明しなければならない事態に陥った。準備はまったく進まない。一応アイデアがぼちぼちと出てきてはいるので、少し方針だけでも書き残しておく。ちなみに対象としている人たちは普通の高校3年生位。ちっとは物理なんかに興味もあるかな?という人達。

 

  1. 素粒子物理学』というものの役割: 物質を分割云々と言っても、あまりピンとこないので、『宇宙の進化』と関連させる。実は説明をする環境というか条件に依存していたりして、多分関連させるほうがいい。(2011年ノーベル物理学賞
  2. 『力』と『場』: 素粒子の話をすると、物質粒子、ゲージ粒子ヒッグス粒子とでてきて、一般的な物質を構成する粒子、力を伝える粒子、質量を生む粒子と説明をすすめる事になる。『力を伝える粒子』というのは、よく言う『粒子のキャッチボール』で説明を済ませればいいのかもしれないが、ここではなんとかして『力場』との関係を連想できるような流れにしたい。『電場』とは『電荷に力を及ぼす空間の性質の一つ』であって、電荷はその『性質』を変化させると、よく説明されている。でも、これって『はいそうですか。』って簡単に理解できる概念なんだろうか?『電場』が電荷に力を及ぼすのだったら、『電場』と電磁相互作用のゲージ粒子である光子との関係は?あくまでも相手が高校生、『量子力学なんて知らん』、ましてや『相対論的場の量子論』なんて。今回の話、つまり最終的には『ヒッグス場』があって、素粒子というのはヒッグス場の存在、しかも自発的対称性の破れの帰結として、質量を獲得するという話をしようとする時に、脇においておいていい話ではない。そのために
  3. 『物質波』: 2重スリットの実験の動画がやっぱり助けになる。ほんと、ありがたい。波の性質(干渉)を見せながら(回折格子とレーザーポインターを使うかな?)、量子の『二重性』を説明する(具体的な解説は、後に十分その機会があったりするので、その宣伝も兼ねる)。量子としての電子に基づく『水素原子』の形を紹介し、『物質場』を無理やり導入。(さすがにこれは無理があるような気がするけれど、どこかに無理なジャンプが必要)
  4. 『場』と『粒子』: ここで漸くゲージ粒子と力の伝播についての概念を導入できるようになる?
  5. 『質量』: 悩みどころ。質量とはなにか?という話をしておかないと、『素粒子に質量を与える』といったところで、何をいっているのかまったく謎になってしまうような気がする。とはいっても、質量を持つ粒子の『場』と質量を持たない粒子による『場』のいわゆる直感的な解釈・説明・理解は?
  6. 対称性』と『相互作用の性質』: 力は『場』がある事で作用するという概念を導入した。力(相互作用)の性質は『場』の性質で決まると繋げたい。例えば電気の力と重力の力は、距離の依存性からみると双子のようによく似ている。しかし一方は同符号の電荷に対して斥力が働くのに対し、もう一方は引力が働く。これを『場』の性質までもっていく。他に『弱い相互作用』『強い相互作用』があって、その性質も結局は『場』の性質であるとする。それでは、なにが『場』の性質を決めるのだろうか?そこで『対称性』の話を導入。できればU(1)局所的ゲージ対称性による電荷の保存、電場の性質という話題を、そんな言葉を使わずに入れてみたいものなのだけれど、はてさて。大事な事は、『場』を考える時、そこにはいろいろな対称性を考えることができて、その対称性が結局は『場』の性質を決め、ひいては『力』の性質を決めている事を捉えてもらう。
  7. 対称性の自発的破れ』: もともともっていた『対称性』が自然に壊れる事がある、という事を理解してもらう。ここはなにか仮想実験でもできるといいなぁ。ある条件ではまったく対称なのだけど、なにかのきっかけでその対称性が完全にくずれてしまうという現象・・・・(男・女)(右手・左手)(席の取り合い)
  8. 『力の進化(分裂)』と『ヒッグス機構』: ようやく素材が揃うので、より基本的な『力』、宇宙創世時の世界から、冷却に伴う力の分岐、その背後で起きている『自発的対称性の破れ』、そしてそれぞれの『場』の性質。
  9. CERN-LHCとATLAS、CMS、ALICE、LHC-b等の実験: これは前の方がいいかも。もしくは途中で挟むかな?ざっくり説明して、次回以降の宣伝にしてしまおうか?(『天使と悪魔(ダン・ブラウン著)』をネタにする話があるので、その前振)

うーん。考えれば考える程、むちゃくちゃな内容になりそう。