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南部さん他3名のノーベル物理学賞の受賞理由について 

2008年のノーベル物理学賞が、次の3名に決定したそうだ。これは喜ばしい。

米シカゴ大の南部陽一郎名誉教授(87)
高エネルギー加速器研究機構(高エネ研)の小林誠名誉教授(64)
京都産業大理学部の益川敏英教授(68)

素粒子の理論で先駆的な役割を果たしたというのが、この3人がノーベル賞を受賞した理由だそうだが、遅く帰った私が「南部さんはどの研究が評価されたの?」と家族に聞いても、どうにもしどろもどろ。

どういうことだ? いくら難解でも少しは説明できていいのでは?といぶかりつつネット検索をしてみて、その理由が分かった。

「CP対称性の破れ」


こんなテーマでは一般の人がすぐに理解できるはずもない。

若き頃、相対性理論や量子力学の本を読み耽っていた私とっては多少興味の湧くテーマなんですが、普通の人はちんぷんかんぷんで興味の湧きようもないだろう。多少は知ってる私だって、このCP対称性とかいう話になると、ほとんど理解ができていない。

まず、「CP対称性」とは何ぞやと思ってWikipediaを見てみても、その解説は次のようにひどいものである。

      ↓

☆☆☆

Cは荷電共役変換(Charge Conjugation:粒子を反粒子へ反転する)、Pはパリティ変換(Parity:物理系の鏡像を作る)を意味し、CPはこれら2つの演算子の積である。強い相互作用と電磁相互作用はCP変換の元で不変であると考えられているが、弱い相互作用による崩壊では、この対称性がわずかに破れている。

歴史的にみるとCP対称性は、1950年代に発見されたパリティ対称性の破れを回復するために提案された。パリティ対称性とは、素粒子物理学の法則が鏡像反転のもとで不変である、という考えを背景としている。これは、化学反応や放射性崩壊のような反応が、鏡像反転しても同じ頻度で起きることを示唆している。

パリティ対称性は、電磁相互作用および強い相互作用による反応については正しい。1956年までパリティ保存は、エネルギー保存の法則や運動量保存の法則とともに、幾何学的な基本法則の一つであると信じられていた。しかし1956年に、理論物理学者の李政道と楊振寧が、すでに存在していた実験データを丹念に再検討し、パリティ保存が強い相互作用および電磁相互作用による崩壊については確認されていたが、弱い相互作用については確認されていないことを示した。彼らはいくつかの直接的に検証する実験を提案した。コバルト60原子核のベータ崩壊を使った最初の実験は、1956年に呉健雄らのグループによって実施され、弱い相互作用がパリティ対称性を破ることを明確に証明した。

全体的に見て、一つの量子力学的体系の対称性は、もしも他の対称性Sが見つかって、それと組み合わせた対称性PSが破れないように出来れば回復される。このヒルベルト空間の構造についての精妙な論点はパリティの破れが発見されてまもなく体現され、荷電共役がその秩序回復のための望まれた対称性であると提唱された。

簡単に言うと、荷電共役とは粒子と反粒子の間の対称性である。CP対称性は1957年にレフ・ランダウにより、物質と反物質の間の真の対称性として提唱された。言い換えれば、一つの過程ですべての粒子がその反粒子で置き換わったものはもとの過程の鏡像と等価である、と仮定された。」

☆☆☆


及ばずながら、少し説明してみたい。

CPの「C」と「P」は、大まかに言って、それぞれ「電気的」、「空間的」という意味となります。「C」は「Charge」の意味で、C変換は電荷の符号である「+」と「-」を入れ替えることで、この変換によっても方程式(ディラック方程式?)が変わらないことをC対称(荷電共役対称性)といいます。一方、「P」は「parity」の意味で、P変換は空間的に座標値を入れ替えること(座標反転)を意味します。P変換によって、物体はちょうどその鏡像のようになるといっていいでしょう。

このC変換とP変換のいずれについても対称性が保たれていることを「CP対称性」というのです。

粒子をC変換&P変換したものが、粒子とペアで生成される「反粒子」なのであって、粒子も反粒子もその反応は同じであるはずであったのですが、同じではなかったと。1964年にブルックヘブン研究所において偶然、K中間子に関して初めて発見されたのがその端緒だそうです。CとPがともに変換された場合は、従来は対称性が崩れることはないと考えられていたのですが、そうでもなかったと。

その辺の解明に貢献したのが南部さんだったのではないのかな?


ちなみに報道によると南部氏の受賞理由は、「物質の最小単位である素粒子の自発的対称性の破れの発見」とされています。

こんな説明で理解できる方が異常ですよ。


小林氏及び益川氏については、

「CP対称性の破れを説明するために、物質を形づくる素粒子クォークが少なくとも3世代存在することを予言し、後に実証された。」と報道されています。

これだって意味不明でしょう。
「クォークに3世代」とか言われてもねえ…。


もう少し噛み砕いた報道がなされてれば、物理学の面白さを感じてくれる人も結構いたのかもしれませんが、こんな難しい説明してたら逆に離れていってしまいますよ。

このCP対称性なんて代物はちょっと脇においておいて、量子力学に関係する「シュレーディンガーの猫」の話とか「電子銃による二重スリット実験」とかの方が、まだとっつきやすいと思います。

量子力学の面白さ、不思議さをまずは味わっていただきたい。量子力学創生期におけるアインシュタインとボーアの論争なんかも興味深いです。


なにはともあれ、御三方。
おめでとうございます。

テレビにいっぱい出て、
その受賞理由を分かりやすく説き示してくださいね。
期待しています。


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