ヒッグス世界観

宇宙に質量を与えた男ピーター・ヒッグス

２０１２年７月のCERNの発表（７月革命）や、２０１３年のノーベル物理学賞の話は知っていましたが、ヒッグス粒子が見つかったということが何を意味するのか良く分かっていなかったんですね。でも、この本を読むことで少し印象が変わりました。それは、人類が「真空にも何かがある」と気付いたマイルストーンだったのです。天動説から地動説への転換、電気の発見とか電子の発見の歴史とちょっと似ていますね。

質量機構の歴史

質量を生み出すヒッグス機構の歴史に、超電導が関係しているとは知りませんでした。でも、読み進めると確かにバトンリレーが行われていたのです。

1911年・・・オランダの物理学者ヘイケ・カメルリング・オネスが摂氏マイナス２６９度まで冷やされた水銀が電気抵抗を失うことを発見した。

1933年・・・ドイツのマイスナーとオクセンフェルトが超伝導体内部の磁束密度がゼロになる完全反磁性を示すマイスナーオクセンフェルト効果を発見。

1950年・・・ソ連のギンツブルクとランダウが一定の温度以下で電子対凝縮が起きることを方程式で示したが、冷戦により欧米諸国には伝わらなかった。

1957年・・・バーディン、クーパー、シュリーファーの３人により超電導体の内部で２個の電子がイオン格子の歪みを打ち消すように引き合う現象、クーパー対が超電導現象を引き起こすことをBCS理論として説明した。BCS理論は、電子（プラス２分の１またはマイナス２分の１）２つ（クーパー対）がスピン０のボース粒子のように振る舞い、ボースアインシュタイン凝縮を起こして縮退しフェルミ準位付近に電子が存在しない超電導ギャップを生じることを指摘した。超電導ギャップに電子が存在しない事から磁場の侵入を防ぐのでマイスナー効果が説明されます。そしてギャップ直下の伝導帯のクーパー対が凝集（増加）して励起状態となります。微視的にみると、一つ目の電子が正イオン格子に近づいて離れる時に失うエネルギーを二つ目の電子が受け取って相殺して、結局エネルギーを失わずに移動できるということです。電子が陽子を引き付け、引き付けられた陽子が別の電子を引き付けるのです。

シュリーファーの講演を聞いていた南部陽一郎が、「彼らが使っている固有関数は異なった荷電を持った状態を重ね合わせたものです。そうするとゲージ不変性は当然破れている理論で、マイスナー効果のような電磁的問題を説明できるというのはおかしいと思いはじめたわけです。（2005年11月京都大学基礎物理学研究所での講演より）」。南部は、BCS理論にゲージ不変性（量子電磁力学QED、一般相対論の要請、エネルギー保存則）を欠いているように見えることに疑問を持ち、解決策を考え始めた。結局２年ほど考えた。

1960年・・・南部陽一郎は、「超電導は対称性が自発的に破れて隠れた状態の一例であること」を見出して論文発表した。超電導が現実世界の出来事である以上、ゲージ不変性は維持されているはずだという信念があった。

1961年・・・ケンブリッジ大学のジェフリー・ゴールドストーンが、不安定な対称性から安定な非対称性への自発的な遷移が起こって元の対称性が隠れると、南部の理論におけるパイ中間子のような質量ゼロの粒子（南部ゴールドストーン粒子）の存在が引き起こされることを説明した。

1964年・・・３月にペンシルバニア大学のベン・リーとクラインが、隠れた対称性と質量ゼロの粒子に矛盾は無いか疑問視する論文を発表。６月にハーバード大学のギルバートがベクトル解析を用いてゴールドストーンの定理と相対論の関係を論じた。これを読んだヒッグスが「質量ゼロの粒子を取り除いた論文」を４日間で書き、７月に論文誌に発送し、９月に掲載された。８月には「光子は望ましからぬゴールドストーン粒子を吸収するという形で質量を獲得しうる」とする第二論文を発送し１０月には掲載された。６月には独立した形で、ブラウトとアングレアが質量機構を論じた論文を論文誌に発送し、８月に掲載されていた。グラルニク、ヘイゲン、キッブルの３人も１０月に独立論文を論文誌に発送していた。この６名のなかでヒッグス粒子について論じたのはヒッグスの論文だけだった。

1965年・・・ヒッグスはボゾンの特定手段を提示する論文を投稿し、翌1966年5月に出版された。プレプリントがプリンストン高等研究所のフリーマン・ダイソンにも届き、「おかげで長いこと頭を悩まていたいくつかの物事が理解できた」という手紙をヒッグスに送り、プリンストンでの講演を招待した。

1967年・・・ニューヨークのブルックヘブン研究所の学会でヒッグスとワインバーグが議論して質量機構を強い相互作用の理解に応用できないという経験を共有した。ワインバーグはヒッグス機構を用いて弱い相互作用と電磁気力の統合の糸口を掴み「レプトンの１モデル」という論文を発表した。

1971年・・・ユトレヒト大学のトホーフトが博士論文でワインバーグのモデルが繰り込み可能である（無限大を消去できる）ことを証明した。

1976年・・・CERNのエリス、ゲイラード、ナノプロスの３人による論文でヒッグス粒子の存在を確かめる方法を論じた。

1977年・・・フェルミラボのウィルチェックにより陽子どうしが高エネルギーで衝突するとヒッグス粒子が生成し得ることが示された。フェルミラボのベン・リー、クリス・クイッグ、ハンク・サッカーの３人は、ヒッグス粒子の質量が1000GeV(1TeV)以下であると見積もる論文を発表した。それは30年後に125GeVであることが判明した。

真空の相転移

さて、ヒッグス粒子の存在を確かめるということは、ヒッグス場の存在を確かめるということであり、ありとあらゆる物質を取り去った「真空」にも「何かがある」ということを意味します。水が氷から液体になり、水蒸気という気体になるように、また、プラズマに相転移するように、真空（ヒッグス場）も高エネルギーで相転移（対称性の破れ＝隠れ）を起こして「泡立ち」、質量を生み出すということが分かりました。宇宙はビッグバンで始まったと予想されてきましたが、ビッグバンの前は「真空」だったということが判明したのです。

そして、このヒッグス粒子の重さ、実験で約125GeVと判明しましたが、この重さが「電子の重さ」を規定し、従って、電子軌道の大きさ、原子の大きさ、弱い力の大きさ＝ベータ崩壊の確率・速度をも規定していることが分かったのです。それって、結局、太陽の燃焼速度も規定していることになり、地球に適度な気温をもたらし、我々人類が地球上で生命を営んでいるための必須条件も規定していることになります。世界はヒッグス場に満ちているし、我々の存在もヒッグス場が生み出している、という世界観ですね。

しかし、真空から質量が生まれるというのは、般若心経の「色即是空、空即是色」を思い起こさせる話です。６世紀に成立したとされる般若心経がヒッグス機構を予言していたとも解釈し得る恐ろしい話です。

さらに、ヒッグス世界観は、電磁気力とベータ崩壊を引き起こす弱い力が同じものだということが確認された後の世界観でして、電磁気力と弱い力が分かれる前の電弱時代というものがあったことに人類は気付きました。そこからのアナロジーで、強い力（核力）や重力も統一理論で説明できるんじゃないかという方向性が見えてきました。核力は温度が上がるに従って弱まることが確認されており、電弱力と同レベルになる温度が推定されているのです。重力は我々が住む３次元世界では他の３つの力に比べて極端に弱すぎるのですが、次元を拡張して多次元重力を観念すれば、他の力とスムーズに繋がる可能性が指摘されています。それに、ダークマターやダークエネルギーの説明にもヒッグス機構（電弱統一理論）が役立つのではないかと模索されています。人類は階段を上るように少しずつ自然の摂理を認識しつつあります。改めて、ヒッグス粒子発見の２０１２年は凄い年だったと再認識させられます。これはやはりシンギュラリティ元年と言って良いでしょう。

シンギュラリティ対策のためには、我々は、常に、「いままで分かっていること」、「まだ分からないこと」を情報アップデートして学び続ける必要があります。ですから高校で習った物理の教科書にヒッグス場が載ってなかったとしても、科学雑誌や新刊本を買ったりして学び続ける必要があるのです。

シンギュラリティ年表