Transcript ボース粒子 - 明治大学
Slide 1
量子と宇宙の話
明治大学オープンキャンパス
島田徳三 Ａｕｇｕｓｔ ７, 2010
専門 素粒子物理， カオス
1.
光子の裁判 （朝永先生の夢と電子での２重スリット実験）
2.
ステファン・ボルツマンの法則と地球上の生命
3.
ビッグバン宇宙論
4.
超伝導体とクォークの閉じ込め問題
Slide 2
２つの球面波の干渉
このスクリーンのどこでも かまわないので（ただしこの文
字列ではないところ）を マウスでクリックしてください．
Slide 3
光は波である.
• Thomas Youngの2重スリットの実験(1803)と彼の作図
• この光の干渉の仕方は,防波堤の2つの間隙を通る波と同じ
Slide 4
光は粒子である．
アインシュタイン (1905)
光電効果
• 振動数(f,またはν)が高く,波長(λ)の短い紫外線だと,
高エネルギーの電子が出る.
• 光の強度が増すと電子の数が増す．
→ε=hν
• 紫外線には, 高エネルギーの光子が入っている．(だ
から日焼けする)
• 強い光には, 沢山の光子が入っている．
Slide 5
光子の裁判(被告:波乃光子)
朝永振一郎 ｢光子の裁判」
波乃光子
• 壁の上では, 光の来ると
ころ,来ないところの干渉
縞が出来る．
→波乃は両方の穴を通っ
たに違いない．
• 一方で,壁で波乃を捕まえ
ると,いつも,不可分の個
体として姿を現す.
→波乃は個体に違いない
いかにして個体:波乃光子は2つの穴を通ったか?
Slide 6
判決
• 波乃光子は,両方の穴を通った．(その証拠には, 干渉縞が出
来る.)
• 波乃光子は,警官には個体として捕まる.(その証拠には,いつ
も決まった色で捕まる.)
この両事実に何らの矛盾はない．
波乃光子は波乃光子であって,矛盾と思うのは,検事の先見
独断である．誰もみていない2重の穴を通るそのときと,スクリ
ーンで警官に捕まるそのときで特質を変えるもの,それが波
乃光子である.
Slide 7
光子のサイズ
• 回折（不確定性原理）
光
x p
光子のサイズは光の波の波長くらい !!!
h
Slide 8
電子での2重スリットの実験
現代版Youngの２重スリットの実験
(光)
電子
電子を一つずつ打ち込む．スクリーンでは,1個1個とらえられる．
しかも，…やがて干渉縞が現れる．電子は,波として両方のスリット
を通っている．
日立中央研究所外村彰グル－プによって行われた． （The
most beautiful experiment in physics - a poll of Physics
World readers)
Slide 9
このスクリーンのどこでも かまわないので（ただしこの文
字列ではないところ）を マウスでクリックしてください．
日立中央研究所外村彰グル－プによって行われた． （The most beautiful experiment in
physics - a poll of Physics World readers)
Slide 10
光子ガス ＳｔｅｆａｎーＢｏｌｔｚｍａｎｎ則
3
u : エ ネ ル ギ ー 密 度 [J/m ]
u T
4
（ エネルギー） kT (温度)
( 波長）
１
T(温度)
n( 数密度） T
3
u (エ ネ ル ギ ー 密 度 ） T
4
Slide 11
ここでStanley Kubrick.の
2001 A Space Odysseyの1シーンを紹介した． 猿たちの一匹が投げた道
具(太い骨)が空高く回転しながら舞い上がっていく．無音．どんどん舞い上
がった後, それは青い地球の周りをゆっくりと運行している宇宙船となる．
小さい音で音楽が流れはじめやがてそれが
｢An der schönen blauen Donau｣
であることが分かる．(ここまでで2分)
いいたかったのは,基礎的な物理法則を道具に, 模擬授業のここからは宇
宙の話を始めるということ．
なお, 上の曲名の文字列やStanley Kubrickをgoogle検索すると，2010．
８月現在では講義で紹介したすばらしいシーンがYouTubeで簡単に音楽
とともに楽しめます．(著作権に配慮してここまでとします).
Slide 12
絵画の彩りは太陽の温度6000度で決まっている.
Slide 13
地球は太陽と放射平衡
太陽の温度
地球の温度
R
L
昼 / （ 昼 + 夜 )= 1 /2
反 射 率 =1/2
Slide 14
地球の温度 300K
これは太陽温度の1/20
これはイラストで,波長は,これより遙かに短いし
大気の層もこれより遙かに薄い．
地球は,太陽の可視光波長0.5ミクロンを
波長10ミクロンの赤外線に変換して放射する.
炭酸ガスは可視光は通すが赤外線は吸収す
る．そこで, 大気中に炭酸ガスが多いと地球
は熱をため込んでいく.
温暖化効果
Slide 15
宇宙(膨張を続けているもの)
Slide 16
風船： 一様等方な２次元球面
任意の点の周りで周囲の点はHｕｂｂｌｅ膨張している．
Slide 17
NASAの観測衛星の進化: WMAPは宇宙輻射背景の
１０万分の1程度の温度揺らぎ(宇宙の交響曲)を示す．
Slide 18
放射４０万年後
宇宙の発展
ダークエネルギーによる
加速膨張
暗黒の時代
銀河，星の生成
の残照
インフレーション
量子ゆらぎ
５億年最初の星
ビッグバン宇宙膨張
１３７億年
NASAより転写・翻訳
Slide 19
宇宙が収縮していくと，光の波長が比例して短くなる．
光の波長が比例して短くなる．
a
宇宙の温度は逆比例して上がる． T
p
1
1
a
初期宇宙 0.07cm
３００K
0.7cm
３０K
光の密度は温度の４乗
光
物質密度はサイズの逆３乗
物質
T
4
1/ a
1/ a
3
7cm
３K
4
T
3
したがって，宇宙初期の重力は光子系によるものだった．
今の宇宙
Slide 20
• 原子核
原 子 核 子 (p,n, ) quark(u,d,c,s,t,b)
1A=10
10
m
1 fm = 10
-15
m
uud
原子
Ｅ～１ ＭｅＶ
Ｅ～１ ｅＶ
+無 限 個 の ( q q )
Slide 21
同種粒子の秘密
• フェルミ粒子
電子など物質の粒子．
パウリの排他律に従う．
周期律表
• ボース粒子
光やその仲間．沢山の粒子が同じ波になり巨大な波を全体
で作る．レーザー光
そして, ……
Slide 22
超伝導
1.
金属中でフェルミ粒子である電子が低温では2個ずつ対になってボー
ス粒子になる．一つのボース粒子は小さな波だが
2.
ボース粒子の集団は巨大な量子状態（波）を作る
3.
この波は自分を守るために磁場を排斥する (マイスナー効果)
Slide 23
素粒子
核子=クォーク(フェルミ粒子)3個
真空：超伝導体
グルーオン(ボース粒子)が閉じ
込めの力を作っている
Slide 24
おしまいに超伝導の実験
このスクリーンのどこでも かまわないので（ただしこの文
字列ではないところ）を マウスでクリックしてください．
量子と宇宙の話
明治大学オープンキャンパス
島田徳三 Ａｕｇｕｓｔ ７, 2010
専門 素粒子物理， カオス
1.
光子の裁判 （朝永先生の夢と電子での２重スリット実験）
2.
ステファン・ボルツマンの法則と地球上の生命
3.
ビッグバン宇宙論
4.
超伝導体とクォークの閉じ込め問題
Slide 2
２つの球面波の干渉
このスクリーンのどこでも かまわないので（ただしこの文
字列ではないところ）を マウスでクリックしてください．
Slide 3
光は波である.
• Thomas Youngの2重スリットの実験(1803)と彼の作図
• この光の干渉の仕方は,防波堤の2つの間隙を通る波と同じ
Slide 4
光は粒子である．
アインシュタイン (1905)
光電効果
• 振動数(f,またはν)が高く,波長(λ)の短い紫外線だと,
高エネルギーの電子が出る.
• 光の強度が増すと電子の数が増す．
→ε=hν
• 紫外線には, 高エネルギーの光子が入っている．(だ
から日焼けする)
• 強い光には, 沢山の光子が入っている．
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光子の裁判(被告:波乃光子)
朝永振一郎 ｢光子の裁判」
波乃光子
• 壁の上では, 光の来ると
ころ,来ないところの干渉
縞が出来る．
→波乃は両方の穴を通っ
たに違いない．
• 一方で,壁で波乃を捕まえ
ると,いつも,不可分の個
体として姿を現す.
→波乃は個体に違いない
いかにして個体:波乃光子は2つの穴を通ったか?
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判決
• 波乃光子は,両方の穴を通った．(その証拠には, 干渉縞が出
来る.)
• 波乃光子は,警官には個体として捕まる.(その証拠には,いつ
も決まった色で捕まる.)
この両事実に何らの矛盾はない．
波乃光子は波乃光子であって,矛盾と思うのは,検事の先見
独断である．誰もみていない2重の穴を通るそのときと,スクリ
ーンで警官に捕まるそのときで特質を変えるもの,それが波
乃光子である.
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光子のサイズ
• 回折（不確定性原理）
光
x p
光子のサイズは光の波の波長くらい !!!
h
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電子での2重スリットの実験
現代版Youngの２重スリットの実験
(光)
電子
電子を一つずつ打ち込む．スクリーンでは,1個1個とらえられる．
しかも，…やがて干渉縞が現れる．電子は,波として両方のスリット
を通っている．
日立中央研究所外村彰グル－プによって行われた． （The
most beautiful experiment in physics - a poll of Physics
World readers)
Slide 9
このスクリーンのどこでも かまわないので（ただしこの文
字列ではないところ）を マウスでクリックしてください．
日立中央研究所外村彰グル－プによって行われた． （The most beautiful experiment in
physics - a poll of Physics World readers)
Slide 10
光子ガス ＳｔｅｆａｎーＢｏｌｔｚｍａｎｎ則
3
u : エ ネ ル ギ ー 密 度 [J/m ]
u T
4
（ エネルギー） kT (温度)
( 波長）
１
T(温度)
n( 数密度） T
3
u (エ ネ ル ギ ー 密 度 ） T
4
Slide 11
ここでStanley Kubrick.の
2001 A Space Odysseyの1シーンを紹介した． 猿たちの一匹が投げた道
具(太い骨)が空高く回転しながら舞い上がっていく．無音．どんどん舞い上
がった後, それは青い地球の周りをゆっくりと運行している宇宙船となる．
小さい音で音楽が流れはじめやがてそれが
｢An der schönen blauen Donau｣
であることが分かる．(ここまでで2分)
いいたかったのは,基礎的な物理法則を道具に, 模擬授業のここからは宇
宙の話を始めるということ．
なお, 上の曲名の文字列やStanley Kubrickをgoogle検索すると，2010．
８月現在では講義で紹介したすばらしいシーンがYouTubeで簡単に音楽
とともに楽しめます．(著作権に配慮してここまでとします).
Slide 12
絵画の彩りは太陽の温度6000度で決まっている.
Slide 13
地球は太陽と放射平衡
太陽の温度
地球の温度
R
L
昼 / （ 昼 + 夜 )= 1 /2
反 射 率 =1/2
Slide 14
地球の温度 300K
これは太陽温度の1/20
これはイラストで,波長は,これより遙かに短いし
大気の層もこれより遙かに薄い．
地球は,太陽の可視光波長0.5ミクロンを
波長10ミクロンの赤外線に変換して放射する.
炭酸ガスは可視光は通すが赤外線は吸収す
る．そこで, 大気中に炭酸ガスが多いと地球
は熱をため込んでいく.
温暖化効果
Slide 15
宇宙(膨張を続けているもの)
Slide 16
風船： 一様等方な２次元球面
任意の点の周りで周囲の点はHｕｂｂｌｅ膨張している．
Slide 17
NASAの観測衛星の進化: WMAPは宇宙輻射背景の
１０万分の1程度の温度揺らぎ(宇宙の交響曲)を示す．
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放射４０万年後
宇宙の発展
ダークエネルギーによる
加速膨張
暗黒の時代
銀河，星の生成
の残照
インフレーション
量子ゆらぎ
５億年最初の星
ビッグバン宇宙膨張
１３７億年
NASAより転写・翻訳
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宇宙が収縮していくと，光の波長が比例して短くなる．
光の波長が比例して短くなる．
a
宇宙の温度は逆比例して上がる． T
p
1
1
a
初期宇宙 0.07cm
３００K
0.7cm
３０K
光の密度は温度の４乗
光
物質密度はサイズの逆３乗
物質
T
4
1/ a
1/ a
3
7cm
３K
4
T
3
したがって，宇宙初期の重力は光子系によるものだった．
今の宇宙
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• 原子核
原 子 核 子 (p,n, ) quark(u,d,c,s,t,b)
1A=10
10
m
1 fm = 10
-15
m
uud
原子
Ｅ～１ ＭｅＶ
Ｅ～１ ｅＶ
+無 限 個 の ( q q )
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同種粒子の秘密
• フェルミ粒子
電子など物質の粒子．
パウリの排他律に従う．
周期律表
• ボース粒子
光やその仲間．沢山の粒子が同じ波になり巨大な波を全体
で作る．レーザー光
そして, ……
Slide 22
超伝導
1.
金属中でフェルミ粒子である電子が低温では2個ずつ対になってボー
ス粒子になる．一つのボース粒子は小さな波だが
2.
ボース粒子の集団は巨大な量子状態（波）を作る
3.
この波は自分を守るために磁場を排斥する (マイスナー効果)
Slide 23
素粒子
核子=クォーク(フェルミ粒子)3個
真空：超伝導体
グルーオン(ボース粒子)が閉じ
込めの力を作っている
Slide 24
おしまいに超伝導の実験
このスクリーンのどこでも かまわないので（ただしこの文
字列ではないところ）を マウスでクリックしてください．