宇宙のはじまりと進化

梶 野 敏 貴

国立天文台、東京大学大学院 kajino@nao.ac.jp, http://www.cfca.nao.ac.jp/~kajino/

「アインシュタイン LOVE in 東海大学」 シンポジウム

アインシュタインの思想世界 ＜宇宙と平和＞ 東海大学湘南校舎、２０１０年６月１２日

星・銀河生成と世代の繰り返し

宇宙の始まりと膨張

？？ ？

０ 宇宙時間

宇宙の大きさ

インフレーション

10-44 10-39 秒

時間の始まりとは何か？

スティーブン・ホーキング

・v(宇宙膨張) > c(光速)

・虚時間→実時間

超大統一理論

・量子重力場の理論

・時間・空間もゆらぐ

宇宙の 現在の宇宙

始まり

潜熱が開放されて光で満たされ、

素粒子が作られる。

ビッグバン（火の玉）宇宙の始まり。 対称性が破れる

光 陽電子

ｍ/2

光

ｍ/2 電子

反物質

物質

いいね、まじ簡単！

画期的！

光で満ちた高温・高密度の火の玉宇宙では、

エネルギーが質量を持った物質＋反物質に互いに入れ替わる！

エネルギーと質量は等価

E = mc2

対称性の破れ！

宇宙に存在するすべての物質をかたち作る究極の素粒子と力を伝える粒子たち

素粒子の標準理論

物質粒子 力を媒介する粒子 質量を作り出す粒子

+G ?

1967 1974 1995

1967 1964 1977

三世代

なぜ物質に質量が

あるのか？

自発的対称性の破れ

（1961） 南部陽一郎

宇宙は何から作られて

いるのか？

素粒子の標準理論（1973） 小林 誠 益川英敏

重力

核力

（強い力）

弱い力

電磁気力

?

動的な対称性を破ると、ものごとは変化する。

けたぐり

対称性を壊すと、大きな変化 がおこる。

下手投げ

ガップリ四つ

対称性がよい(高い）静止状態

真空は熱に満ち、素粒子誕生。

膨張する宇宙とは何か？

近くの銀河

遠くの銀河

天の川

火の玉

初期宇宇宙

冷たい宇宙

X, y, z 軸の長さそのものが

時間とともに伸びること。

Albert Einstein (1879-1955)

一般相対性理論 (1915)

ビルコッフの定理:

物質が一様に分布している空間では、粒子に働く重力は、球の

質量が中心に集中しているとした場合の重力と等価である。

質量 m の粒子

1

2mÝ r

2

Gm[(4 / 3)r3]

r E

Ý r

r

2

8

3G

E

mr2

M

球の質量＝密度ｘ体積

M = ｘ 4/3r3

半径 r

E 1

2mÝ r

2

GmM

r

÷ (1/2m) ÷ r2

2

mv2

v

mv2

密度の一様で

等方的な物質の分布

Ｘ

ニュートン方程式

H2

8

3G

k

a2

3

G00 8 GT

00g

00

アインシュタイン方程式

v

a

2

=

ハッブル パラメータ

H = v / a

a (宇宙のスケール) = r (球の半径)

アインシュタイン方程式（フリードマン方程式）は、

重力が弱い極限で、ニュートン方程式を再現する。

= v / r

Ý r

r

2

8

3G

E

mr2

v

r

2 2

ニュートン方程式

-k = E/m 符号が反対

k = 空間の曲率 = -1, 0, +1

宇宙項

アインシュタインの一般相対性理論は正しかったのか？

My greatest “blunder”! （１９２０年代）

「宇宙項＝Λを考えたのは一世一代の過ち！」 （暗黒エネルギー）

「実は、私は正しかったのかもしれない！」

大問題： 宇宙項＝Λ（暗黒エネルギー）の正体は不明！

膨張する宇宙の証拠

互いに遠ざかる銀河（ハッブルの法則）を発見 （１９１９） エドウィン・ハッブル (Edwin Hubble)

火の玉宇宙の名残である宇宙背景放射を発見 （１９６５）

ペンジャス ＆ ウィルソン (A.A. Penzia & R.W. Wilson)

宇宙背景放射の温度揺らぎを発見 （１９９２）

スムート & マザー (G. Smoot & A. Mathar)

火の玉宇宙の名残である宇宙背景放射を予言 （１９４８）

火の玉宇宙での元素合成の予言 （１９４８）

ジョージ・ガモフ (George Gamow)

George Gamow の夢（１９４８）

火の玉宇宙は巨大な核融合炉。

水素からウランまで全ての元素を作りたい！

天文観測で重水素、ヘリウム、リチウム等の核融合生成元素を発見！

ビッグバン火の玉の証拠！

しかし、夢は破れた！

梶野の夢（１９８９）

Gamow の夢は正しいのではないか？

ゆらぐ火の玉宇宙でウランまでの重元素を作りたい！

宇宙背景放射ゆらぎの発見（１９９２）の３年前の予言。

ゆらぐ火の玉宇宙の中での核融合

Kajino and Boyd, ApJ 359 (1989, 1990) 267

9Be

梶野理論の予測 （１９８９）

太陽近くの

若い星々

年老いた星 若い星 時間

すばる望遠鏡

ハッブル宇宙望遠鏡

10000倍以上の違い！

ベリリウム

ガモフ理論の予測 （１９４８）

ブロア城で開催された国際会議「宇宙論と元素の起源論」にて

ジョージ・スムート

２００６年度

ノーベル物理学賞受賞

宇宙背景放射ゆらぎの発見

（１９９２年）

梶野 敏貴

ゆらぎ宇宙論仮説

（１９８９年）

スーパーコンピュータを用いた宇宙構造形成過程のシミュレーション。

未知の暗黒エネルギー７３％ と暗黒物質２３％を仮定すると、観測されている

現在の宇宙構造がうまく再現できる。

３８万年 １３７億年

スムート & マザーが発見した

宇宙背景放射ゆらぎ

初期宇宙は何故

ゆらいでいたのか？

暗黒物質

暗黒エネルギー

の正体は何か？

銀河や星が構造を作る！

ダークマターを仮定すると説明可能

宇宙は加速的に膨張している！

ダークエネルギーを仮定すると説明可能

宇宙の 宇宙の膨張と進化 現在

始まり

宇宙というパイの作り方

未知の暗黒エネルギー（宇宙項）

普通の物質

未知の暗黒物質

宇宙のエネルギー ・質量は

何が担っているのか？

● 暗黒エネルギー（宇宙項）？

● 暗黒物質？

● 普通の物質はたったの４％！

未知の暗黒エネルギーと暗黒物質で満ちた

宇宙に生きることは、得体の知れない素材

でできているパイを食べるようなもの。

科学者は「暗黒の謎」を解きたい

q = adjustable parameter

余次元（5次元）宇宙モデル

=

（LSP) 暗黒素粒子は超対称性粒子！

Dark Radiation term

リサ ランドール

重力作用をになう暗黒素粒子の

質量エネルギーが、３＋１次元の

宇宙と余次元（５次元）の間で

交換されると考える。

私たちの5次元宇宙モデルでは、宇宙項＝０ 、すなわち

暗黒エネルギー＝０でも観測（宇宙の加速膨張）を説明

することができるのではなか。

暗黒物質一元論の提唱

「射影は高次元の対象物の情報を全ては伝えられない。」

リサ・ランドール

ワープする宇宙 ― ５次元時空の謎を解く ― （NHK出版、２００７年）

なぜ高い次元（５次元以上）が必要なのか？

２次元平面

３次元空間

基本的な力の統一理論を

構築し、宇宙開闢と物質

創生の謎、宇宙進化の謎

を解明したい！ 弱電統一！

電磁気統一！

（強い力）

核力

弱い力

磁気力

＋

電気力

重力

●電磁気力、弱い力の統一

ワインバーグ、サラム（１９７３）

●電弱力、強い力の大統一！

ゲージ理論 未完成

●重力の超大統一？？？

超ひも、超対称、超重力理論 ・・・

大統一!

超大統一？？？

現代宇宙物理学の到達点、究極の問い！

●電気力、磁気力の統一

マクスウェル（１８６４）

高い次元（５次元以上）の時空が必要

スイス・ジュネーブ郊外のセルン原子核研究所

大ハドロン衝突加速器 LHC

素粒子（SUSY, Higgs）ハンティング → 暗黒物質の発見

高次元時空の検証

ミニ・ブラックホール生成

反物質

素粒子どうしを衝突させて

ビッグバン初期 宇宙と同じ

ような高温高密度状態を

作り出し、反物質を作って

集め、磁気力で隔離。

反物質は、物質と出会うと

瞬時に して消滅し光になり、

巨大な熱 エネルギーを解

放する。

天使と悪魔

E = mc2 人類の希望の方程式

悪魔の方程式

反物質の消滅を兵器として使う！

素粒子 原子核 原子

ＤＮＡ

細胞

つめ

都市

大陸

地球 銀河 宇宙大構造

豊かな素粒子・原子核の世界

物質・人間の起源？

神秘に満ちた広大な宇宙

時間・空間の起源？ 人間

宇宙（時間・空間）と

物質（人間）世界

113

森田浩介グループ

（理化学研究所）

新元素１１３番を発見。

トリウム ウラン

梶野敏貴

（東大・天文台グループ）

超新星で合成されることを証明

鉄・コバルト・ニッケル

１９世紀末～２０世紀

現代科学の夜明け

放射能の発見

ベクレル （１８９６）

放射性元素（ラジウム）の

単体分離に成功

マリーキューリー（１９０２）

人間・物質を形作る究極の

粒子発見のステップ。

α線 （He核、１９１１年

ラザフォード）

β線 （電子、１８９７年、

トムソン）

γ線 （電磁波、Ｘ線、

１８９５年）

β線

α線 γ線

ピエール キューリー マリー キューリー

ラジウム、ウラニウム

神はさいころをふらない。

決まってはいるが、人間には

分からないだけ。

アルベルト アインシュタイン

量子力学では因果律が破れているのか？

不確定性は神の原理。

そもそも場所と運動を同時

に決定することはできない。

ニールス ボーア

マックス ボルン

波動関数の確率解釈の提唱

「すべてを波で説明しようとこだわりすぎると矛盾が生じる。」 「この際、電子があるときは粒子で、ある時は波だと

二面性を認めてしまおう。」

マックス ボルン

オリビア ニュートン ジョン

歌手、ボルンの孫

太陽は巨大な核融合炉、人類にとっての天恵！

ミクロな世界の法則 “量子論「粒子＝確率波」”が、太陽内部で

核融合を引き起こし、人間を形づくるさまざまな元素を作りだす。

太陽はなぜ輝けるのか？

太陽中心付近で

核融合が起きている。

クーロン力障壁

陽子は波でもある。

0 距離

陽子 陽子

陽子どうしの間にはクーロン反発力に

よるポテンシャルの壁ができ、ある距離

以内に近ずけないけれども、波として

ある確率で壁を透過し核融合を起こす。

ある確率で壁を 透過した陽子

超新星１９８７A

重元素ウラニウムは、

星の大爆発で作られるか！

ニュートリノは超新星内部で起きた

原子核・素粒子反応の確かな証拠！

小柴昌俊東京大学名誉教授

２００２年ノーベル物理学賞受賞

超新星１９８７Aからの素粒子ニュートリノを人類史上

初めて補足。ニュートリノ天文学を拓いた功績に対して。 陽子 電子 中性子 ニュートリノ

超新星爆発の数値計算機シミュレーション アダム・バロウズ（プリンストン大）

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300 km 10 km

約１００年前のラジウムやウラニウムから

の放射能の発見が、量子論を生みだした。

量子論が現代科学（原子核・素粒子物理

学、固体物理学など）の基礎を拓き、２０世

紀の物質文化が開花。

１００年間の疑問

重元素・ウラニウムは、宇宙のどこでどのように作られたのか?

β線

α線 γ線

マリー・キューリー

ウラニウム ２１世紀、解明

超新星爆発でのニュートリノの反応で作られた！

梶野の夢（１９８９）

Gamow の夢は正しいのではないか？

ゆらぐ火の玉宇宙でウランまでの重元素を作りたい！

宇宙背景放射ゆらぎの発見（１９９２）の３年前の予言。

人間

細胞

ＤＮＡ

原子 原子核

究極の素粒子？

つめ

世界は何から作られているのか？

古代ギリシャ （デモクリトス）

目に見えないがそれ以上分割でき

ない世界要素＝原子（ATOM）

電子

原子核

陽子

中性 子 ？

２０世紀

原子は、原子核（陽子＋中性子）

と電子からなり、分割できる。

ロバート・フック （１６６５）

顕微鏡の発明

ガリレオ・ガリレイ （１６１０）

望遠鏡の発明

すばる望遠鏡

巨大望遠鏡と巨大粒子加速器が、宇宙および極微の世界を覗く科学的な道具！

陽子

反陽子

地上でリトルバンを起こし、 高エ

ネルギー密度の火の玉を再現

巨大粒子加速器

陽子（＝人間の体を構成する要素）

の中から、赤・青・緑の３種類の色を

持つ素粒子“クォーク”が飛び出して

きた！ クォークは６種類の香り を

持っている。

私たちを作る素粒子

ビッグバン初期宇宙の真空中

を飛び交っていた素粒子

宇宙に存在するすべての物質をかたち作る究極の素粒子と力を伝える粒子たち

素粒子の標準理論

物質粒子 力を媒介する粒子 質量を作り出す粒子

+G ?

1967 1974 1995

1967 1964 1977

三世代

なぜ物質に質量が

あるのか？

自発的対称性の破れ

（1961） 南部陽一郎

宇宙は何から作られて

いるのか？

素粒子の標準理論（1973） 小林 誠 益川英敏

重力

核力

（強い力）

弱い力

電磁気力

?

陽子の中の真空！

陽子の中の小宇宙では、 量子力学の原理によって、究極の素粒子クォークやグルーオンの

エネルギー密度が揺らいでいる。また、クォーク閉じ込め対称性、カイラル対称性（π中間子

の質量の起源）などが回復している。 真空の性質が、ビッグバン宇宙の初期にそっくり！

クォーク対の生成

新しい粒子の生成

E = mc2

私たちの体は、ビッグバン宇宙のかけらでできている！

物質と宇宙の神秘的な結びつき

私たちの体の中に

ビッグバン初期宇宙の

真空があった！

宇宙の法則

小さな物質

世界の法則

自然の階層性

宇宙の法則はどこまでもミクロな世界の法則で成り立っている。自然は、ちょうど

ウロボロスの蛇が自分の尾を飲み込むような形で作られている。 （グラショウ）

人間

物質世界（人間）と宇宙（時間・空間）の統一

素粒子 原子核 原子

ＤＮＡ

細胞

つめ

都市

大陸

地球 銀河 宇宙大構造

人間を形づくる究極の

“エレメント”は何か?

人間の体の中にある

ミクロな世界の“ゆらぎ” １３７億年前のビッグバン初期

宇宙の“ゆらぎ”

宇宙の果てに見つかった

“ゆらぎ”の起源は何か？

人間

火の玉小宇宙の量子的ゆらぎが宇宙の膨張で引き伸ばされた！

私たち人間はビッグバン宇宙のかけらで作られている！

時間の始まり 宇宙進化 現在

0 時間

四つの力は統一 対称性が破れる 四つの力が分岐

ゆらぐ初期宇宙 豊かな宇宙構造形成

光に満ちた火の玉宇宙

2g (光) → 物質＋反物質

対称性の破れ ： 物質 >> 反物質

物質でできた宇宙

物質粒子である陽子も

１０３０年で崩壊する。

A. Einstein M. Planck

時間・空間と物質、ビッグバン宇宙論として統一

宇宙論 量子論

（一般相対性理論） （素粒子・原子核、場の理論）