京大サークル CARP(原理研究会)
京大公認サークルであるカープ(原理研究会)の公式ブログです。私たちは統一原理という理念を掲げて、周囲に希望を与えます!
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BigBang!!  なにそれ、美味しいの??
みなさん、お元気様です!!


お久しぶりです教授です。




実は私、しばらく京都を離れていたんですが、久々に帰ってきまして、


いつも通り賑やかなメンバーを見ながらのほほん(*´∇`*) としていたら。。。。





。。。。け。。。


ん??




。。。を書け。。。



????







ブログを書くのじゃぁーー!!  ゴ━━━━(# ゚Д゚)━━━━ルァ!!




????  な、何か声が聞こえる? そ、そうか。これが啓示というやつか。



。。。とまぁ、こんな感じでいわゆる”天の声”が聞こえてきたわけですよ。


そういえば昨年ノーベル賞を受賞された方々について書いたブログが途中だったような気も。。。(;´Д`)





と言ってもネタをどうする? 続きを書くかとでも思っていたらそこに


ルルくん「ビッグバンとか宇宙のロマン的なの気になりますよねー」





そ、それだ!! 一応自分、物理専門だし。


こうやって人を通して啓示が来ることもあるのだなぁ。


そういえば先ほどの天の声が聞こえた時も、当ブログ担当である
店長くんがこっちに熱烈な視線を送っていたような気もするが、
ここではこれ以上触れないことにしておこう。






まぁ、あまり本格的な物理の話になっても書く方も読む方も大変だと思うので、
この宇宙ってうまくできてるんだなぁーということが伝わればいいかな、
と軽めの気持ちで書いてみようと思います。


あ、そう。いろいろとうまくできてるんですよ。この宇宙って。






というわけで Big Bang とは


宇宙創造時にあったといわれる大爆発   by安定の(?)wikipediaさん





ググったらなんかいろいろ出てきたけど、こういうのじゃないよ。
BIGBANG-2ne1-and-bigbang-21418015-1024-768.jpg      b1-9330d.jpg
韓国のアーティストグループ「BIGBANG」         アメリカのテレビドラマ「the Big BANG THEORY」




恐らく知らない人はいないと思いますが、ビッグバンとはいわゆる宇宙誕生の瞬間のことです。

slide2.png
LHC ALICE実験グループHPより


QGP、インフレーション、QCDなど難しい言葉が並んでいますが、今回は無視しましょう。




今回話してみたいのは火の玉宇宙生成から約1秒後以降、宇宙がある程度冷えてきてからのお話、
つまり、ビッグバン元素合成からスタートします。




みなさん、突然ですが今世の中に何種類の元素があるかご存知でしょうか。


2016年の年始、九州大のグループが113番元素の命名権を獲得、
ニホニウム(Nh)と名付けられたことはまだ記憶に新しいのではないかと思います。


lif16060916100010-m2.jpg
 113番元素は日本、115,117,118番元素はロシア・アメリカがそれぞれ命名権を獲得した。

同グループディレクターの森田教授曰く、

今の元素周期表は全ての空欄が埋まり最も美しい形をしている。
だがそれを崩したいと考えるのが物理屋の性


なのだそうです。近い将来、再び新元素発見のニュースに日本が沸くことを期待しましょう。

ちなみに、理研で行われた名称決定時の記者会見における報道陣とのやりとりは刮目に値します。分かりやすい! ちょっと長いけど。
youtube





ともかく、現在見つかっている元素は全部で118種類に及びますが、
実はビッグバン元素合成においては、水素、ヘリウム、リチウムまでの最初の3元素までしか合成されません。
詳細は下図をご覧いただきたいのですが、正確に言うとこれらの"同位体"ができます。
ベリリウムも作られるのですが、不安定ですぐに崩壊してしまうために、
膨張して温度・密度の低くなった宇宙ではこれ以上反応が進んでくれないわけです。
BBNnetwork.png
ビッグバン元素合成の経路図。pが陽子、nが中性子を示している。
高校で理系じゃなかった人にはちょっと難しいかも。d、3Hはそれぞれ重水素と三重水素。





しかし、このままでは地球どころか我々人間も生まれようがありません。残りの元素はどこから来たのか?
とおっしゃる方、ご安心を。ちゃんと宇宙にベリリウム以降の核種を作る核融合実験場ができるわけです。


宇宙開闢から数億年が経った後、宇宙空間を漂う粒子が重力により少しづつ引き合い、星を形成します。
その中でも巨大な星においては、その中心部にかかる星全体からの圧力が十分に高くなり、
核融合反応をスタートできるような環境が実現されるような星も出てきます。
私たちもよく知る、太陽をはじめとする恒星ですね。



例えば、太陽はその内部で水素の核融合反応によってヘリウムを作っています。
これは星が自分の重さで潰れてしまわないように内部で核融合を進めながら内圧を生み出しているわけです。

言い方を変えると、星ほどの莫大な物質が重力によって集まった時にかかる圧力はすごい。
星レベルの大質量に生じる重力は偉大、ということですね。 んだ。(´ω-◎)(´ω・◎)
star.jpg
恒星内部における玉ねぎ構造。星の重さ(重力がどれほど働くか)によってどこまで元素合成が進むか決まる。
生成された粒子は他の燃料になっている粒子よりも重くなるので、中心部に落ちていき星の組成が玉ねぎ構造を持つようになる。


ちなみに地上で行われている核融合研究も、この高密度環境を安定的に作る
というところがネックの一つになっているようです。
重力って偉大。ぅん((‘д`*(‘Д`*)(*´Д’)*´д’))ぅん





さらにその先、もっと重い元素はどうなるかというと、
その鉄までの核融合が進み、燃料を使い果たした恒星が最後に起こす宇宙最大の爆発現象である、
超新星爆発で急激な核融合反応が進み、92番目の元素であるウランまでがこの現象によって作られます。
maxresdefault.jpg
超新星爆発のイメージ。太陽系の近くで起ころうものなら高確率で地球上の生物は詰みます。でもそんな近くに候補の星はないから大丈夫。
1日に一回程度のペースで、この宇宙のどこかで超新星爆発は起こっているんだとか。でもその信号を捉えるには技術と何より運が必要。
恒星の寿命が何十億年というスケールなので、宇宙って広いんだなぁ。ということです。


この超新星爆発という現象は、今までに言ったような元素を宇宙空間にばらまく、という働きもしてくれるわけです。


例えば、海洋資源開発などで少し問題にも挙がったレアアースなどと呼ばれている物質などは
まさに地球ができるよりももっと昔、宇宙のどこかで起きた超新星爆発の産物と考えられます。



で、さらにその先は人工的に作るしかないわけで、キリのいい100番までが原子炉、
それ以降は加速器を用いた実験が必要になります。



最近の研究では、先日ニュースになった重力波の源であるブラックホール連星合体や、
その候補とされる中性子星連星合体といった非常に密度の高い星同士がぶつかり合うことで
元素合成が進む可能性も示唆されており、理論的研究・スパコンなどを用いた大規模計算も行われています。
images_201610192339246f4.jpeg
中性子星連星合体のイメージ。波打っているように見えるのは視覚化した重力波。
写真だとわかりづらいが、お互いの重力が強すぎて合体時には光の速さの数十%もの速さで衝突する。






以上のプロセスによって実に90種類(同位体で言えば数百種類)以上もの元素が自然界で作られているわけです。
宇宙に浮かぶ巨大な恒星が錬金術を何億年もかけて行ってきたということですね。


えーと、ちょっとは勉強になったでしょうか? ( ?´_ゝ`)



ただ、本論はここから。もう少しだけお話しします!!そして少し話が逸れていきます。。。





ここまでに、宇宙の永きに渡る営みを通して様々な元素が生成されてきたことをお話ししました。


ただ、それらはどれも”原子核”のお話であって、私たちの身の回りに溢れている物質の姿ではありません。
地球上の物質は、ほぼ全てが原子核が電子を引き連れた原子の姿をしており、その化学的性質が規定されています。
更に言えば、"原子核"と"原子"の性質は全くと言っていいほどに違っています。


具体的には”原子核を構成するための力(強い相互作用)”と、”原子を構成するための力(電磁相互作用)”が
異なっていることが原因ですが、元素としては同じ種類なのに、なぜこのような構造を持っているのでしょうか?




科学が根本的な意味での「なぜ?」に答えるのは少し難しいのですが、
ここに一つ、”原子核と原子の安定性”を例にとって考えてみることにします。


安定性とは、反応のしにくさととってもらってもいいのですが、
原子核は安定なものほど、先の元素合成の過程において生成されやすい、と言えます。
つまり、安定性の高い原子核ほど宇宙におけるその存在量が多くなります。
1600px-SolarSystemAbundances.jpg
宇宙(太陽系)の元素存在比。太陽スペクトルや隕石の化学分析などから与えられる。
ギザギザしているのは、構成粒子数が偶数の方が安定するという性質が原子核にあるから。



一方で原子の安定性というのは電子の挙動によって決まるわけです。
つまり、第一イオン化エネルギー(電子を一個取るために必要なエネルギー)を見てみると、
IonizationEenergy.gif
原子の第一イオン化エネルギー=安定性といってもいい。
大きさがeV(電子ボルト)で表されているが、原子核のそれはMeV(10万電子ボルト)のスケールなので全く違う。



二つのグラフは形がかなり違いますよね。
またエネルギーの単位も原子核は原子の約10万倍と大きな差があります。
原子核を変換するためには、化学反応の数万倍のエネルギーがいる、ということです。
原子の立場からすると、原子核は非常に安定性が高いんですね。



これがどのようなところで意味を持ってくるのでしょうか?


例えば、私たち人間を例にとって考えてみましょう。

人間の組成はほとんどが水(60~70%)と言われています。
つまりH2Oで水素と酸素が重要というわけです。


また、細胞などを作る有機化合物を構成するには基本的にH•C•N•Oといった元素が必要です。

骨に含まれるカルシウムなどもありますね。ここまでで人間の99%以上を占めているようです。
あとは、鉄分・ミネラル等の栄養といったところでしょうか。


これらの元素は比較的多量にこの宇宙に存在していることもグラフを見て分かるかと思います。
この宇宙の営みは、しっかりと人間が生まれるに必要な要素を備えるように進んできたということです。
人間誕生を説明する条件は自然界に溢れていますよ。本当に。___φ(゚ー゚ )フムフム



ここで、これらの要素が体内で勝手に変化するようなことがあっては困ってしまいます。例えばですが、
意図せずして体液や細胞の成分が変わってしまうと、生命維持に困難をきたすようになるのではないでしょうか。

この時に”原子核の安定性が非常に高い”という事実がありがたみを持ってきます。




一方で私たち人間は、また有機的な生物は成長しますね。
摂取した食物を体内で消化・分解し、栄養やたんぱく質として吸収、
それらを新たな細胞として再構築しながら新しい肉体として作り上げています。
また、体内を循環させて体液や体組織を常に新しいものに変化させています。
血液であれば約3ヶ月。胃腸壁などはその期間が短く、1週間程度で入れ替わるようです。
骨や皮膚は数年の周期。身体の中身が入れ替わっているというのは、これはこれで驚きですよね。



つまり、上に挙げた元素を自由に組み替えたり、その性質を変える(例えば水に溶けるような形にするとか)
ことができるようにもなっていないと困る、ということです。

こうした要求は、原子核を中心に回っている電子を媒介にしてあげればうまくいく、ということになります。



人間をはじめとする地上の生物が有機的に生存し成長するためには、その構成要素に対して、
”それ自体が簡単に変化することのない性質" と "変化することのできる性質"
といった両方の性質を持たせる必要がありましたが、見事にその要求が満たされる形をとっているわけです。



物理的な相互作用も、ビッグバンの初期において一つだったものが別々の種類に分かれた、と考えられています。
そういった相互作用を決めるための法則も、その瞬間に決まったとするならば、その何億年もあとに生まれた
私たち人間をはじめとする生命体にとってはあまりに都合が良すぎる、と言っても過言ではないように感じます。



中心に原子核があって、その周りを原子番号の数だけ電子が飛び回っていて。。。
と見かけはとっても単純、シンプルに見える(目に見えないけど)原子ですが、
そこには非常に大きな意味のある性質があったんですね。



なぜか異なる性質を持っていた。でも”人間にとってはそうなっていてよかったですね”、と。
科学分野だけで語れるのは基本的にここまで。
ここから先はもっと本質を問う必要があるのではないかと思いますね。
皆さんはどう思われますか???




というわけで、長文なのにここまで読んでくれた方、感謝感激雨あられです!いや、もっと自重しろよヽ(´~`; ォィォィ
ただまぁ、本当にうまくできてるんです!私たちの生きている宇宙というものは!


ルルくん、君の希望に(多分)応えたぞ!!


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いつでも気軽にどうぞ!!!


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↓今日も幸せ☆ぽちっとな
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