「物質のすべては光」感想と個人的要約をネタバレありで語る

ハヤカワ文庫から出ている「物質のすべては光　現代物理学が明かす、力と質量の起源」という本を最近読んだので、その感想などをまとめていこうと思います。

以下、今回の内容です。

ちなみに、著者の「フランク・ウィルチェック」氏は、ノーベル物理学賞を受賞されている方です。

そのおかげか、めちゃくちゃ興味深い内容でした！

ネットや解説動画で理系知識を摂取している私でも新鮮な体験ができましたので、おもしろさは保証します。

ただし、同時にめちゃくちゃ難しかったです！

そこで、予習にでも使ってほしいと思い、自分自身のアウトプットも兼ねて今回の記事を書いてみました。

ぜひ、最後までお付き合いくださいね。

では、本題に移りましょう！

「物質のすべては光」について、章ごとの要約や感想

手品、宗教ときて、どれも満足させられなかった著者を満たしてくれた科学の物語です。

要約やら、わかりやすさ重視やらで正確性に欠けているかもしれませんので、ざっと内容を知るためだったり興味をもつきっかけ、本書を読む予習にでも使ってください。

第1章　「これ（イット）」に取り組む

私たちは、進化によって視覚や聴覚を獲得してきました。

しかしそれらだけだと、天体の運動、季節の移り変わりや1年周期の変化など、重要な事実はとらえられないと著者はいいます。

「考える精神」によってのみ、これらの重要な法則性やパターンに気づかせてくれると語られていました。

ほかにも、五感ではわからないようなことはたくさんあり、自然と対話する科学が大事だと、著者は主張しているような章でした。

第2章　ニュートンの第ゼロ法則

ニールス・ボーアは、真実は2つあるとして、それぞれ区別していたといいます。

このうちの後者の間違い方が、当たり前すぎて法則ではなく定義としたニュートンの第ゼロ法則、質量保存則だと著者はいいます。

質量保存則が信じられてきたのは、それで物事がうまく説明できたからだといいます。

しかし、質量は不変ではありません！

粒子を光速に近い速度で衝突させた結果、元の粒子の全質量と、衝突後に生じる粒子の全質量とで、質量の違いがあったのです。

第3章　アインシュタインの第二法則

ここで、質量の起源はエネルギーであることがほのめかされていました。

それから、質量がなくても、エネルギーがあれば重力は作用するといいます。

ここの説明では、光子にエネルギーがあるから重力によって曲げられるとありました。

第4章　物質にとって重要なこと

宇宙全体の質量のうち、そのほとんどはダークエネルギーやダークマターという形態だといいます。

そして、それらは光を完全に透過するので、恒星や銀河に及ぼす重力を通した間接的な方法でしか認識できないとのこと。

そういったダークなものを除いた普通の物質は、原子からできています。

原子の質量の99パーセント以上が原子核にあるため、原子核を構成する陽子や中性子の質量の起源を探っていく、というような流れでした。

第5章　内側にいたヒドラ

原子核は、原子の約10万分の1サイズであり、これは、ナノテクノロジーのおよそ100万分の1のスケールとのこと。

顕微鏡で調べるのは無理があり、そのため、加速器や粒子の衝突装置を使ったりして調べることになるといいます。

原子核は、陽子と中性子で構成されるが、これらはいくつか違いがあるみたいです。

ここで、陽子や中性子間にはたらく力（強い相互作用）の解明に向かうのですが、その力は単純なものではなく、粒子同士の距離、粒子の速度やスピンなど、複雑に関係してくるとわかりました。

また、高エネルギーの陽子を衝突させる実験では、単純に陽子の向きが変わるということだけでなく、衝突後には陽子ではない3つ以上の粒子が存在したりするようでした。

この実験の過程で新たな粒子が発見されたりしたようですが、それらの粒子にも強い相互作用がはたらくといいます。

そのため、陽子と中性子だけを調べればいいというわけではなくなるとのこと。

という流れになります。

ところが、高いエネルギーで陽子をぶつける実験では、もともとあった以上の陽子ができてしまったりと、科学者たちを悩ませる結果となるのでした。

第6章　物質（イット）のなかのビット

原子のスペクトルが光の波長を見るものに対して、ハドロンのスペクトルは重さをはかるものとも言い換えられるのだとか。

これによって、別々の粒子と思われていたものが、その内部のクォークの運動パターンの違いでしかないという考えが出されました。

という、なんだかおもしろいことが語られていましたね。

第7章　具現化した対称性

量子色力学（QCD）にある対称性という概念について、まず説明されていました。

1つの物体を知ると、そこに存在する対称性を使うことで、新しい物体の存在やその性質などを推論できるといいます。

QCDと似ている少し古い理論に量子電磁力学（QED）というものもあるそうで、あわせて説明がなされていました。

QCDにおけるグルーオンは、QEDにおける光子と似たような役割を果たしているそうですが、光子とは違ってグルーオンはグルーオン同士でも反応するそうです。

私たちの世界で光同士は反応しないのに、光に相当するグルーオンが反応するというQCDの世界を想像すると、不思議ながらもおもしろいと思いましたね。

第8章　グリッド（エーテルは不滅だ）

物理学用語の「場」なんかについて書かれていました。

ただ、科学史？みたいなところは読んでいてわかりやすかったですね。

偉大な科学者でも、ほかならぬ本人が導いた理論を認めたがらないといった話があって、私はそういった話は知らなかったので意外に思いました。

すごく有名な方の名前が出てきたので、本当に驚かされましたね。

あと、光子が超電導体の内部では質量をもつという話がおもしろかったです！（これは、質量ゼロのはずの光が、条件次第では質量をもつということ）

そこから、光子における超電導体内部のように、質量をもたない粒子に質量を与えるものが、空虚に思える空間には存在していて、それらの多層構造のなかにいるというふうに話が展開されていきます。

ものすごく壮大かつ興味深い内容でした。

また、現在しか存在せず、過去や未来は精神によって作り出されるという話もあって、難しい章ながらも要所要所で楽しませてもらいました。

第9章　物質を計算する

について書かれていました。

量子もつれとも呼ばれている現象で、2つの量子ビットのうち片方のスピンが決まると、もう片方のスピンもその瞬間に決まる、つまり情報が光速を超えて伝達されたように見える、というパラドックスです（情報も光速を超えて伝わることはできないはず）。

これに対し、著者は、もつれ状態にするには2つの量子ビットを最初に接近させておく必要があり、その後移動させる速度は光速を超えないのだから、その間も情報をやりとりされていて矛盾がないと説明していました。

このパラドックスになんらかの答えを出している人って、私にとって初めてだったので、印象に残りましたね（理屈のほうも、完全にではないですが私は納得できましたし）。

あとは、結構有名なラプラスの悪魔の話もありました。

しかし、量子論ではあくまでも確率的にしか予測できないのであって、確実なことを予測できるものではないとしています。

こういったことから、ラプラスの悪魔の存在は不可能というか、否定的な感じでした。

第10章　質量の起源

まず、色荷（量子の性質の1つだったはず）というものがあって、それはグルーオン場に擾乱をもたらすといいます。

しかも、距離とともにその擾乱は大きくなるらしいんですよ。

これはつまり、無限の体積があればそれらすべてを擾乱してしまうわけで、当然それには無限のエネルギーを必要とします。

したがって、クォークは孤立して存在できないようになっていると説明されていて、私はこれで腑に落ちましたね。

また、反対の色荷をもつ反クォークというものもあって、それはちょうどお互いの擾乱を打ち消し合ってくれるそうです。

すると、すぐ近くに置きたいところでしょうが、そううまくはいきません。

不確定性原理というものがあって、それは、位置を正確にしようとすると、その粒子の運動量は大きくなる（つまりエネルギーも大きくなる）というものです。

そんなわけで、エネルギーをゼロにすることはできないそう。

原子にも、似たような機構がはたらいているといいます。

負電荷をもつ電子は正電荷をもつ原子核とくっつきたいはずですが、それだと位置が正確になってしまい、不確定性原理により運動量（エネルギーも）大きくなってしまうので、くっつかずに離れているんだと私は解釈しました。

第11章　グリッドの音楽――二つの方程式のなかの音楽

方程式を変形したりして、粒子の振動数と質量とを結びつけていました。

粒子の組み合わせによって振動数が異なるため、質量が音楽を奏でていると著者は言いたいようでした。

第12章　深遠な単純さ

完全な理論は、どれか1つの要素でも欠けるとダメになってしまうため、もろいという話でした。

モーツァルトの話と絡めたりしていて、（ほかの難解な章と比較した場合）わかりやすく、おもしろかったですね。

重要な要素は動かせないために、自由にできる要素を加えることで、完全性を保ったまま動かせたり取り除いたりできるという話もあって、なるほどなあと思いました。

この自由な要素が、根本は単純な現実の理論を難しくみせている原因になっているのかなと、サブタイトルの「深遠な単純さ」と絡めて考えてしまいましたね。

第13章　重力は弱いのだろうか？　実際にはそうだ

この章では、重力は弱いということが書かれていました。

磁石で釘とかを持ち上げられることなどから、重力は弱いということは知っていましたが、著者のたとえがおもしろかったですね。

原子核と電子間にはたらく電気力を消して、重力だけで引き合うようにすると、その原子？の半径はなんと観測可能な宇宙の100倍になるそうです。

ほかにも、電気力の”小さな”不均衡で雷が発生したり、強い相互作用の場合では核爆発が起きたりと、重力以外の力との比較がなされていておもしろかったです。

第14章　重力は弱いのか？　理論的にはノーだ

前章をふまえて、重力が極端に弱いことは理論的に問題があると書かれていました。

といった具体例をあげられていて、重力の普遍性（つまり、どんなものにも作用する性質）をあらためて不思議に思いましたね。

第15章　ほんとうにすべき質問

重力の弱さについて、著者は、私たちに見えている重力の弱さはどうしてかという疑問を投げかけます。

前提として、重力の強さは私たちが観察する物体の質量に比例します。

そこから、物体の大質量を占める陽子と中性子はなぜこんなに軽いのか？という方向に行ったのはおもしろかったですね。

そんな感じで、私は著者と違う考え方だったので、逆に次章以降を気にならせてくれました。

第16章　美しい答

前章であった陽子の質量が軽い理由ですが、その前に、10章の内容の復習をしておきます。

まず、クォークの色荷はグルーオン場を擾乱し、それは離れるほどエネルギーとともに大きくなっていくというものでした。

エネルギーが大きくならないよう、反対の色荷をもつ反クォークをそばに置いて擾乱を打ち消したいところですが、位置を正確に近くにしすぎると、今度は不確定性原理によってエネルギーが増大してしまいます。

ただ、擾乱が大きくなる速度はゆっくりだから、反クォークを置く位置も比較的大きく取ることができ、不確定性原理による運動量（エネルギー）の増大も抑えられるそう。

その結果、擾乱によるエネルギーと不確定性原理によるエネルギーを合わせても、エネルギーはあまり大きくならず、陽子の質量も増えなかったとのことでした。

後半でもう少し続きが書かれていましたが、著者の言いたいことが難しくてわかりませんでした。

これらを柱とした統一理論をつくりたい場合、なんでも、根底に存在する基本的な物理法則は、プランク定数で表現したときに自然に見えなければならないそう。

こういった理由から、重力の弱さ、言い換えれば、プランク単位で表現したときの陽子の質量が小さすぎるのが問題とのことでした。

それとは別にプランクの話もあって、

という、数だけで単位をつくれるという話は興味深かったですね。

メートルとかは地球の文化的な産物でしょうし、物理法則から単位を導くという、宇宙人に対しても普遍的に使える単位という発想はおもしろいと思いました。

第17章　統一――セイレーンの歌

標準模型といわれるものについて説明がなされていたのですが、まあ難しくてよくわからなかったですね・・・

ほかにも、ニュートリノの話だったり、クォークとレプトンの3つの世代の話だったり・・・

読んでいて、興味深さよりもよくわからないという気持ちが強かったです。

第18章　統一――ガラスを通して、ぼんやりと

について書かれていました（相変わらず難しかったです）。

説明では、グリッドのゆがみを通してしか私たちは力を感じることができず、そのゆがみを取り払えば同じになるはずだといった感じのことが書かれていました。

そして、そのためには高エネルギーを与え、極めて短い距離で見分ける必要があるそう。

しかし、この方法ではうまくいかないという結果を示して、18章は終わりました。

第19章　擁護可能性

反証可能性と擁護可能性の話がされていましたが、物理の話じゃないのにもかかわらず、難しくて理解できませんでした。

前章で失敗した統一理論ですが、少しやり方を変えるといったところで19章は終わりました。

第20章　統一♥SUSY

方程式の解として新しい何かの存在が示唆され、その後に現実世界で発見というパターンが多いそうです。

例があがっていました。

そして、著者のいう超対称性では、場の数を増やすことを要求するといいます。

私たちのいるどの場でも、パートナーのように新しい場があるとされ、この新しい場の揺らぎのせいで、重力を含めた基本的な力の大きさは違って感じられるそうです。

逆に、その揺らぎを取っ払ってみると一致するということを、グラフなどで示してくれていました。

反物質やら電磁波やらと違って聞き慣れない概念だからでしょうか、腑に落ちない原因が指摘できないといいますか、わかるようでわからないというような気持ちに私はなりましたね・・・

第21章　新しい黄金時代の予感

いろいろ書かれていました。

これらの関連性は私にはさっぱりわかりませんでしたが、なにか共通するものがあるように書かれていましたね。

エピローグ――つるつるした小石、きれいな貝殻

電子の質量が大きければ、原子の大きさが小さくなり、今の生命が誕生するかも怪しかったと書かれていました。

電子の質量が今よりも小さい（原子の大きさが大きい）場合も同じようです。

どうして電子は今の質量なのかという疑問を投げかけていました。

個人的には（今の質量に決まった理由など）特に意味なんてない派なのですが、それは思考停止なんじゃないかと考えさせられましたね。

いつか、質量やら物理定数やら、今の値に決まった理由も解明する日が来てほしいと思いました。

補遺A　粒子は質量を、世界はエネルギーを持っている

アインシュタインの方程式に、質量ゼロの光子の値を代入するとおかしなことになると説明されていました。

その方程式の解のとおり、光子は任意のエネルギーをとるという話が確かになと納得させられ、おもしろかったです。

って、たしかにそうなんですけど、なんでそうなっているのか不思議に思いましたね。

補遺B　多層構造で多色（マルチ・カラー）の宇宙超電導体

超電導の本質は、抵抗がゼロなことではなくて、超電導体内部に磁場を存在させておくことができないほうにあると書かれていました。

それには、外部の磁場を打ち消すための磁場が必要で、それには電流を維持しなければならないといいます。

難しいのではしょりますが、とにかくエネルギーが必要になってくるため、超電導体内部では光子が質量をもつとのことでした。

だそう。

一応補足として、WボソンとZボソンは、弱い力をもたらしているW場とZ場から生じる粒子らしいです。

電磁気力と弱い相互作用に似たところがあるという話を知ることができた章で、おもしろかったです。

補遺C　「間違ってはいない」から（たぶん）正しいへ

短かったのですが、話があっちこっちしていたからか、私自身飽きちゃったのか、疲れたのか、うまくまとめられませんでした。

ほかの章や補遺と比べると個人的に見劣りする項目でしたし、まあいいかなと思っています。

どうしても気になる方や、自分で本に目を通したいと思った方は、ぜひ全編読んでみてください。

そこらへんの小説やラノベを凌駕するおもしろさと気づきをくれた本でした。

「物質のすべては光」を読み終えての感想や雑談など

ここまで見ていただきありがとうございます。

以下は本の内容というよりかは個人的な雑談が多めなので、それでもいい方だけどうぞ。

まず、こういった解説書をブログにまとめるのは初めての試みでした。

アウトプットはインプットよりも大事といわれていますし、ブログもやっているなら書かなきゃ損だと思って書き上げました。

アウトプットは私自身のためでもありますが、主目的は紹介と布教です。

これを読んでいる方にもぜひとも読んでいただきたい本だと思ったので、こうやって記事にしてみたわけです。

このページは予習にでも使ってみてください。

ネタバレありでも楽しめるというか、むしろ初見には厳しいと思ったので、ぜひ活用をどうぞ。

科学的な雑学が得られるだけでなく、読み物としてもそこらへんの小説よりずっとおもしろいと思ったので、かなーりおすすめです。

難しいには難しいですが、それ以上の魅力にあふれている本でしたので、ぜひ読んでみてください！