全ての「物」の正体は「場」から生まれて「4つの力」で動く「17の粒子」であることが分かるムービー「What Is Something?」

物質を小さく分解すると、分子や原子、素粒子といった単位に分類できるという知識は小中学校で学習しますが、では一体素粒子は何からできているのか、全ての物質の正体は何なのかを、アニメーションで分かりやすく解説したムービーが「What Is Something?」です。

What Is Something? - YouTube

「物」とは何でしょうか？なぜ物が生まれて、物が生まれる時に何が起こるのでしょうか？こういった単純な質問ほど、答えるのが難しいものです。

物質を構成している要素を小さく分解していくと、分子、原子、素粒子の順で小さく分解することができます。

素粒子が一番小さい構成要素だとすると、一体素粒子は何からできているのでしょうか？

この答えを解明するために、まず宇宙に存在する物質、反物質、放射線、粒子などを……

全て取り除いて考えてみます。

宇宙を詳しく見てみても、全く何も存在しません。そこには空間があるだけです。

空間とは、原子も物質も何も存在しない、空っぽの状態です。何もない宇宙というのは、広大で静かな海のようなものと言えます。通常は海水が静かに止まっているように見えますが、時折何らかの拍子に波が起こります。

宇宙はこのような海がそこら中にあり、物理学では「場(field)」と呼ばれています。

例えば「電磁場」と呼ばれる場に放射線が入ったと考えましょう。

電磁場に波が生まれて……

光子と呼ばれる粒子が生まれます。光子とは、放射線を運ぶ光の粒子のこと。

光子以外の粒子もこのように場から生まれると考えられていて、それぞれの粒子が生まれる固有の場があります。

例えば電子が生まれる「電磁場」は宇宙全体に満ちています。光子が電磁場にぶつかることで……

電子と陽電子が生まれます。

場で生まれる粒子は全部で17種類あり、「レプトン」「クォーク」「ボソン」という3つのカテゴリに分類できます。

レプトンには、電子、ミュー粒子、タウ粒子と、それぞれに対となるニュートリノがあります。

クォークは原子を形作る粒子です。

レプトンとクォークが組み合わさると……

原子核の陽子と中性子が出来上がります。

つまり、レプトンとクォークが全ての物を構成しているということです。例えば空気や太陽や……

今使用しているコンピューターなどの機械も同じです。

また、物には何かを行う力もあります。哲学的に言えば、物の性質は物の存在そのものです。

ボゾンはこのような力の場に存在します。

クォークとレプトンは物質場で作られて、ボソンは力場で作られます。

宇宙には4つの基本相互作用があり、「電磁相互作用」「重力相互作用」「強い相互作用」「弱い相互作用」の4種類です。

基本相互作用とは、ゲームのルールブックであり、粒子がコマで、宇宙がゲーム盤です。4つの力によって、粒子の働きや、粒子がどのように動くのかが決まります。

つまり、基本相互作用が宇宙の構造を決めているということです。

例えば重力は惑星の動きを決めているだけでなく……

惑星の形をも作っています。

電磁相互作用は磁石や電球だけでなく……

すべての原子に働きかけて、分子を形作っています。

力と粒子の関係は、プラモデルに似ています。

ボソンが粒子同士をつなぎ合わせるパーツで、クォークとレプトンをつなぎ合わせて、それぞれがどのような動きを行うかを伝達しています。

粒子には特有の力があり、他の粒子と相互的に作用します。例えばクォーク同士は電磁気力と強い核力を使用しますが、電子同士は電磁気力のみを使います。

クォーク同士はボソンを使って相互作用しています。

一方、クォークが組み合わさった陽子は、電磁気力を使って電子とやりとりします。

こうして原子核と電子が原子を作っているのです。

一見複雑そうに見える超新星爆発のような現象やコンピューターの内部構造も、詳しく拡大して見れば、17種類の粒子が4つの力で動いているにすぎません。

これが現在までに分かっている「物」の正体であり、物理学では「標準模型(standard model of particle physics)」と呼んでいます。

全ての物質は、実は広い宇宙の海に生じた波であり、宇宙を形作る力のルールに従っているのです。

しかし、力とは一体何なのでしょうか？この疑問については、今後さらなる研究が必要です。