[記事公開日]2015/11/25
[最終更新日]2016/04/11

宇宙を支配する4つの力は重力と電磁気力(電気と磁気の力)と「強い力」と「弱い力」

宇宙を支配している力とは何か

宇宙に働いている力とは、どんなものなのでしょうか?

どのような力が宇宙を支配し、宇宙を動かしているのでしょうか?

どんな力が、無数の星や銀河を形成し、宇宙を成り立たせているのか、とても興味があるところです。

宇宙を成り立たせている力は、4つに集約されることが分かってきたようです。

宇宙を成り立たせている4つの力とは、「重力」「電磁気力(電気と磁気の力)」「強い力」「弱い力」に集約されるとのことです。

 

宇宙を成り立たせている4つの力とは、「重力」「電磁気力(電気と磁気の力)」「強い力」「弱い力」

宇宙を成り立たせている4つの力とは、「重力」「電磁気力(電気と磁気の力)」「強い力」「弱い力」に集約されるとのことですが、このうち、「重力」と「電磁気力(電気と磁気の力)」は、なんとなくイメージできるものの、「強い力」と「弱い力」というのは、なんだか曖昧なイメージであり、よく分からない感じがします。

実際のところ、私たち人間が直接的に感じられるのは、「重力」と「電磁気力(電気と磁気の力)」だけだそうです。

そして、「強い力」と「弱い力」というのは、届く範囲がとても短いので、私たちが直接的に感じることはできないそうですが、原子核をつくったり、原子核の性質を変えたりする時に働く重要な力であることは事実だとのことです。

宇宙を成り立たせている4つの力、自然界にある4つの力である「重力」「電磁気力(電気と磁気の力)」「強い力」「弱い力」には、それぞれ、その力を媒介する(伝える)粒子があり、それをゲージ粒子と呼ぶそうです。

宇宙を支配している4つの力である、「重力」「電磁気力(電気と磁気の力)」「強い力」「弱い力」について、それぞれ触れていきたいと思います。

「重力」は宇宙で働く力の中では一番弱い力

宇宙で働く4つの力、「重力」「電磁気力(電気と磁気の力)」「強い力」「弱い力」のうち、私たちに最も馴染みが深い感じがするのは、何と言っても、やはり「重力」だと思います。

そして、私たちは、「重力」というものが、大きな力を持っていると勘違いしていますが、実は、宇宙で働く4つの力の中では、「重力」が一番弱い力だということです。

「重力」は、あらゆる粒子に働く力であり、簡単に言うと、質量を持つもの同士が、お互いにほかのものを引き合う力を指します。

「重力」は遮られることなく無限遠まで働くため、マクロの世界を支配していると言います。
地球、太陽、銀河系などの天体の運行を司り、巨大な宇宙の構造を作り出しています。

星や銀河というものも、たくさんのチリやガスなどが集まってできていますが、それも「重力」という力が働いているからだということになります。

そして、「重力」を媒介するゲージ粒子はグラビトン(重力子)だとのことですが、まだ発見されていないようです。

みんながよく知っている、私たちを地球に引きつけている「重力」は、重力子(グラビトン)の交換によって伝わるとのことですが、重力子(グラビトン)は質量を持たないので無限の遠方まで届くことになるようです。

「重力」は質量に比例し、質量はエネルギーと等価だとのことです。

「重力」は質量(エネルギー)に対して働き、「重力」の及ぶ範囲は無限大だということになります。

しかし、その「重力」というものが、宇宙で働く4つの力の中では、一番弱い力だというのは、少々驚きです。

「重力」を「電磁気力(電気と磁気の力)」と比較した場合、仮に「電磁気力(電気と磁気の力)」が、太陽を持ち上げることができるくらいの力を持っていたとすると、「重力」の方は、小さな薬のカプセル1つを持ち上げるのがやっとだそうです。

「電磁気力(電気と磁気の力)」というのは、電磁気力がプラスとマイナスで打ち消しあってゼロになることが多いようです。

しかし、「重力」の場合は、「電磁気力(電気と磁気の力)」のように打ち消し合うことがなく、重くなればなるほど大きくなるようです。

そして、宇宙の中には、重い物質がたくさんあるので、「重力」の影響が大きいように思えるのだそうです。

また、宇宙に働く4つの力のうち、「重力」だけが、今だに謎のベールに包まれているのだそうです。

残りの3つの力、「電磁気力(電気と磁気の力)」と「強い力」と「弱い力」については、力を伝達する「素粒子」によって、物質と物質の間で働くことが分かってきたようです。

「重力」とともに、感じることができて、私たちに馴染みの深いもう一つの力である「電磁気力(電気と磁気の力)」とはどのような力なのでしょうか?

 

「電磁気力(電気と磁気の力)」は電気力と磁気力の2つの力

「電磁気力(電気と磁気の力)」は、電気をおびた粒子に対して働く力であり、原子同士を結んで分子をつくったり、原子核と電子を結びつけて原子をつくったりします。

「電磁気力(電気と磁気の力)」は電気力と磁気力の2つの力として私たちの身近にありますが、この一見違った2つの力が実は同一のものであることは、19世紀には、既に解明されていたようです。

「電磁気力(電気と磁気の力)」が現代のエレクトロニクス文明の基礎を成す力となっていることは、ご承知のとおりです。

「電磁気力(電気と磁気の力)」は電荷に対して働く力であり、力の及ぶ範囲は無限大になります。

そして、力を媒介するゲージ粒子は光子(フォトン)になります。

よく知られている静電気や磁石の力だけでなく、私たちが日常経験する「重力」以外の全ての力は「電磁気力(電気と磁気の力)」だそうです。

特に、電子と原子核を結びつけ原子を作る力、原子同士を結びつけ分子を作る力は、「電磁気力(電気と磁気の力)」だとのことであり、光子(フォトン)の交換によって伝わります。

光子(フォトン)は質量を持たないので、遮られなければ「電磁気力(電気と磁気の力)」も遠くまで無限大に届くことになるようです。

「電磁気力(電気と磁気の力)」は電荷に比例しているようです。

そして、電荷粒子は光子(フォトン)の衣を着ているようなものなので、電子が電磁石などで急に向きを変えられると、光子(フォトン)の衣が引きちぎられて飛び出してしまいますが、これが放射光と呼ばれるものだとのことです。

「重力」と「電磁気力(電気と磁気の力)」は私たちが感じることができる力であったのに対して、「強い力」と「弱い力」は、私たちが感じることができない力だそうです。

まずは、「弱い力」とはどういうものなのでしょうか?

 

「弱い力」は、放射能や星の核反応に関係する力

「弱い力」は、放射能や星の核反応に関係する力であり、例えば、ベータ崩壊で中性子がニュートリノと電子を出して、陽子に変わる時などに働く微弱な力だそうです。

弱い力はとても短い距離の間でのみ働き、通常、「電磁気力(電気と磁気の力)」よりもはるかに弱いのでこの名前がつけられたようで、全てのクォーク、レプトンに働くとのことです。

そして、「弱い力」のゲージ粒子はウィークボソン(弱中間子)になります。

「弱い力」は原子核のベータ崩壊、中性子、パイ中間子などの粒子の崩壊の原因となる(粒子の種類を変えることのできる)力であり、日常は経験することのない力ですが、ミクロの世界では重要な役割を果たしているとのことです。

それでは、「強い力」とはどのようなものなのでしょうか?

 

「強い力」は全てのカラー荷を持つ「素粒子」に働き、「電磁気力(電気と磁気の力)」の100倍程の大きさを持つ最も強い力

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「強い力」は全てのカラー荷を持つ素粒子に働き、「電磁気力(電気と磁気の力)」の100 倍程の大きさを持つ最も強い力なので、この名前がつけられたそうです。

「強い力」はクォークを結びつけ、陽子 (p) や中性子 (n) を作り、また陽子同士の間に働く電気的な斥力に打ち勝ち、中性子とともに原子核を作ります。

「強い力」が作用するのはカラー荷(色荷)であり、力を媒介するゲージ粒子はグルーオン(膠着子:こうちゃくし)になります。

「強い力」はクォークの「色」という状態に対して働くことから「色の力」とも呼ぶそうです。

「強い力」はカラー荷に比例しており、クォークのカラー荷には、赤、青、緑の三原色(もちろん本当の色ではない)があるそうです。

「強い力」を媒介する力の粒子グルーオンには8種類ありますが、いずれも質量を持たないにも関わらず「強い力」の到達距離は短く、日常感じることはないとのことです。

 

「重力」の謎を解き明かすことで宇宙に異次元の世界がある可能性が見えてくるかも知れない

19世紀末の最初の素粒子発見以来、素粒子の世界の研究が進めば進むほど、物理学者は、「自然は、それがいかに複雑に見えても、その究極においては非常に単純である」という確信をますます深めてきたそうです。

そして、物質が、少数のクォーク、レプトンからできていること、それを支配しているのがたった4種類の力であることが分かったようです。

即ち、宇宙に働く力は、「重力」「電磁気力(電気と磁気の力)」「弱い力」「強い力」の4つであることが分かりました。

しかもこれらの力は全て力の伝達粒子であるゲージ粒子を交換することによって働くことが分かったのですが、これは20世紀の科学の生み出した偉大な成果の一つだとのことです。

ただ、私たちが感じることができる身近な力である「重力」だけは、未だに謎のベールに包まれているようです。

「重力」を伝達するゲージ粒子であるグラビトン(重力子)は、未だ発見されていないようですし、「重力」が他の3つの力よりも、はるかに弱い理由もまだ分かっていないようです。

理論物理学の世界では、他の3つの力とは違い、「重力」は3次元空間以外の異次元にしみ出しているから弱い、とする説もあるそうで、「重力」の謎を解き明かすことで、この宇宙に異次元の世界があることが分かってくるかも知れないとのことです。

そうなってくると、宇宙の謎・不思議・神秘はますます深くなりそうな感じがします。

 

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