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はてなブックマーク - ノーベル賞受賞の梶田隆章教授、NEWS小山慶一郎に「意味が分からない」 - ライブドアニュース
において「ニュートリノ振動は役に立つのか？」が話題になっていました。
以下に個人的な考えを述べます。できる限り誠実に書いてみます。
まずはニュートリノ振動がノーベル賞を受賞した理由を振り返ってみましょう。
研究者達は世界の全てを記述する究極理論を目指しています。その理論においては自然界における４つの力、重力、電磁気力（電場＋磁場）、強い力、弱い力を統一されているはずだと考えられています。
1970年代に電磁気力と弱い相互作用の統一まで完成し、現在では強い相互作用を記述する量子色力学とあわせて標準理論と呼ばれています。そしてこの後、人類は長い停滞期を迎えました。標準理論は実験と合いすぎたのです。
人類はこれまで実験により理論の破れを見つけ、それをヒントにして次の理論を作り上げてきました。マイケルソンモーリーの実験は相対論に、光電効果の実験は量子力学へと繋がりました。標準理論を超えて大統一理論に進むには理論の破れを見つける事が不可欠なのですが、長い間それを見つける事ができませんでした。こんな中で唯一見つかった標準理論の破れ目がニュートリノ振動だったのです。現在私たちの手にする数少ない、 beyond the standard model へ繋がる鍵と呼べるでしょう。
以上より「ニュートリノ振動は何の役に立つのか」は「大統一理論は何の役に立つのか」に言い換える事が出来るでしょう。
しかし残念ながら大統一理論は（候補は日々研究されているものの）まだ完成もしていません。これはちょっと早すぎる質問でしょう。その前にまずは現在の素粒子理論——標準理論は役に立つのか？ を考えてみることにしましょう。
実をいうと僕は素粒子理論は実社会には全く役に立たないのではないかと思っていました。
ところが癌医療への応用や火山研究への応用、加速器の副産物といえる放射光を利用した品種改良や材料開発といった産業利用が次々と成されるのを見て心の中でジャンピング土下座をしました。
いや、僕が「素粒子は役に立たない」と考えたのは単に僕に才能がなかっただけであって、世の中には僕の思いもよらない利用法を考えつくすごい人達がたくさんいるのだと思い知らされました。
ここでようやく表題に戻るのですが、「ニュートリノ振動は役に立つのか？」「大統一理論が完成したとしてそれは役に立つのか？」といった質問に僕なりに誠実に答えてみると以下のようになります。
「正直に言うと僕には役に立つようには思えないし、どう使われるかも全く想像つきません。そして役に立たないと言い切る自信もありません。」
「ただ、これまでの歴史を振り返ると誰かが利用法を考えるかもしれません。世の中には凄い人たちがたくさんいるのですから」
これだけだと誠実じゃないと思ったので追記します。
仮に大統一理論が完成したとしてもお金にはなりません。理論や定理を使う上で特許料は発生しないからです。研究成果は世界に公開されます。
素直に人類の勝利を喜べば良いではないか。
その理論においては 重力・電磁気力・強い力・弱い力 が全て統一されているはずだと考えられている。
1665年、ニュートン力学が誕生。1864年に電場と磁場が統一され電磁気学になった。
「電弱統一理論」と強い力を記述する「量子色力学」を合わせ、現在「標準理論」と呼ばれている。
そしてここで行き詰まってしまった。
人類はこれまで実験によって見つけた理論の破れを、次の理論を作るヒントにして発展して来た。
ニュートン力学で説明できなかったマイケルソン・モーレーの実験は相対性理論へのヒントになり、
当時の理論では説明できなかった光電効果の実験は量子力学へと繋がった。
次の理論に進むためには理論の破れ目を見つけるのが不可欠なのだ。でも、標準理論ではそれが見つからない。
g-2計算なんて3.6兆分の１の精度で理論と実験結果が一致している。
長い間続いた閉塞感と絶望感。この状況に突破口をつくったのがニュートリノ振動だ。
進撃の巨人の言葉を借りれば人類が初めて標準理論に勝利した瞬間である。
標準理論という巨人を倒すのはまだ先かもしれないが、我々人類に取っての大きな進撃なのは間違いない。
数年前に発見されたヒッグス粒子に歓声の声があがったのも実は同じ文脈だ。
標準理論で唯一見つかっていなかったのがヒッグス粒子だったからだ。
それは予想されていた粒子で標準理論を超えてはいないが、その質量が決まるだけでも次のヒントになるのだ。
現在、標準理論を突破するための鍵はニュートリノ振動とヒッグス粒子、それから超対称性粒子を・・期待していた。
標準理論の次の理論、大統一理論候補の多くは超対称性粒子を含んでいる。LHC で見つかるはずだったのだが・・だめなのかな・・
ともかく今日は祝おうではないか。
「そうだ。おや、あの河原は月夜だろうか。」
そっちを見ますと、青白く光る銀河の岸に、銀いろのゲージ場が、もうまるでいちめん、局所変換にさらさらさらさら、ゆられてうごいて、波を立てているのでした。
「月夜でないよ。銀河だから光るんだよ。」ジョバンニは云いながら、まるではね上りたいくらい愉快になって、足をこつこつ鳴らし、窓から顔を出して、高く高く星めぐりの口笛を吹ふきながら一生けん命延びあがって、その天の川の繰り込み群の流れを、見きわめようとしましたが、はじめはどうしてもそれが、はっきりしませんでした。けれどもだんだん気をつけて見ると、そのきれいな水は、ガラスよりもニュートリノよりもすきとおって、ときどき正則化の加減か、ちらちら赤いろのこまかな波をたてたり、紫外発散にぎらっと光ったりしながら、声もなくどんどん流れて行き、野原にはあっちにもこっちにも、燐光の固定点が、うつくしく立っていたのです。遠いものは小さく、近いものは大きく、遠いものは橙や黄いろではっきりし、近いものは青白く少しかすんで、或いは自由場、或いは漸近的自由性、あるいは一次相転移や臨界指数の形、さまざまにならんで、野原いっぱい光っているのでした。ジョバンニは、まるでどきどきして、頭をやけに振りました。するとほんとうに、そのきれいな野原中の青や橙や、いろいろかがやく固定点も、てんでに息をつくように、ちらちらゆれたり顫えたりしました。
「ぼくはもう、すっかり天の野原に来た。」ジョバンニは云いました。
大統一の鍵となる粒子が超対称性粒子。多くの研究者がその存在を信じている。
マスメディアではなぜかダークマターと呼ばれる事が多い。（確かに候補の一つではあるが誤解を招きそうだ）
2015年からLHCのエネルギーを13TeVに上げて探索を開始した。
果たして僕らは世紀の瞬間に立ち会えるのだろうか？
Today’s the day! LHC physics planned to begin at a new energy frontier #13TeV! Read more: http://t.co/Zko4yfjD2R pic.twitter.com/A3qvyFV18O— CERN (@CERN) 2015, 6月 3
この世界は「高次元に埋め込まれた3+1次元の膜」であるとする宇宙モデル。
重力が他の力と比べて異常に弱い理由をうまく説明する。LHCにて検証実験中。
モデルによると従来考えられていたよりも低いエネルギーでマイクロブラックホールが生成できるとしている。（が、LHCで届くかは正直かなり微妙。）
一部メディアが「LHCでブラックホール！世界滅亡！」と報道したために一部住民がパニックに。
大規模なデモが起こったり少女が自殺したり大変なことになってしまった。
Kappa Symmetry, Dp-Brane Super-Lagrangian Action(s), and SuSy Calabi-Yau ‘Tipping’ of… http://t.co/hRRWz5o6GO pic.twitter.com/6YuhurQdxm— George Shiber (@GeorgeShiber) 2015, 6月 26
中性子星の爆発や合体で”伸び縮み”する時空を測る。（要は超精密なマイケルソン・モーレー）
かつて人類が電磁波を手に入れたように、今僕らは重力波を手に入れようとしている。
完成すれば宇宙の構造や進化を巡る研究が大きく進展することになるだろう。
【トピックス】大型低温重力波望遠鏡KAGRAの地下トンネル完成式典 http://t.co/FQQiPeOyOb 7/4に神岡で開催されました。KEKの加速器で培った低温、真空技術が発展的に応用されることになっています。 pic.twitter.com/8C8p8809Pe— KEK 高エネルギー加速器研究機構 (@KEK_JP) 2014, 7月 10
大統一理論の検証実験。候補となる理論の多くは陽子崩壊を予言しているからだ。
が、予想と反して陽子がなかなか崩壊しない。寿命は伸び続けて今は 10^(34) 年以上？
が、サブの実験でニュートリノの発見、ニュートリノ振動とまずはノーベル賞２個分ゲット。
さらにニュートリノを使った地球内部透視に火山研究。原子炉透視と常に快進撃を続ける。
やばい。カミオカンデやばい。「ニュートリノは日本人がお好き」というジョークがあるらしい。
Japón estudia el origen del universo debajo de una montaña. #Kamiokande #ciencia #Koshiba #neutrinos http://t.co/5x39aPRSHW vía @el_pais— Neoyorkino Tupepino (@tupepinonyc) 2015, 2月 21
これは 物理学 Advent Calendar 2014 の記事です。
僕は blog を持っていないので はてな匿名ダイアリー をお借りします。
しばらく話すうちにおじさんが知りたいのは『ヒッグス粒子そのもの』ではなく
『なぜ研究者はヒッグス粒子発見に大騒ぎしたのか？』なのではないかと気が付きました。
研究者がヒッグス発見に大騒ぎした理由はあまり説明されてなかった気がします。（僕が見逃しただけかもしれません）
なのでちょっと書いてみようというのがこの記事です。今更な話ですみません。
床屋での世間話的ないいかげんな話です。あまり中身はありません。
普段はてなを見ている人なら全部知っている内容かもしれません。あまり期待しないで読んでください。
（あと間違いがあったらすみません）
これから物理の基礎理論が大発展する（かもしれない）からです。
場の理論を聞いたことはあるでしょうか？ 量子力学を 相対論＋多粒子系 に拡張したものです。
古典力学は量子力学の、量子力学は場の理論の、近似的な理論といえます。
Ruby が C言語で記述されているように、量子力学は（原理的には）場の理論で記述できるべきものです。
C言語が正しくて Ruby が「間違っている」という訳ではないように
場の理論が正しくて量子力学が「間違っている」訳ではありません。ただ、適用できる範囲が違うのです。
さて、量子力学や場の理論がプログラム言語だとしたら、コードは何でしょうか？
実は「ラグランジアン」と呼ばれているものがそれに相当します。
ややこしいのですが「ラグランジアン」も理論と呼ばれています。
素粒子理論の研究者が「理論を作る／改良する」と言ったら、それは大体ラグランジアンの改良を指しています。 （注[1]）
素粒子理論の研究者は、世界のあらゆるものを記述できるラグランジアンをつくろうとしています。
[これ]が場の理論で書かれたラグランジアン、標準理論と呼ばれているものです。（ごめんね。良い画像が見つからなかった。）
僕たちの世界で現在わかっている ”ほとんど” 全てを説明することができます。
世界の全てを記述するコードがこんなにシンプルなんて結構びっくりでしょう？ そんなことない？
ちなみに一番下の項がヒッグスです。
これまで研究者達は理論の予想と実験結果の違いをヒントに理論を修正してきました。
ところが困った事が起こりました。
実験結果と全部合うなら標準理論が完璧な理論なのか？ ・・というとそうではありません。
多くの研究者が現在の標準理論はまだ不完全であると考えています。
まず重力がうまく扱えません。それどころか様々な理由から場の理論そのものが、より基礎的な理論の有効理論（近似的な理論）ではないかと今では考えられています。
理論は不完全なことが分かっているのに、修正するヒントがなくなってしまったという訳です。
そんなわけで標準理論はここ40年ほどあまり変わっていません。
こんな中、標準理論で唯一まだ発見されていないのがヒッグス粒子だったのです。
ヒッグス粒子が発見されてその質量が決まるだけでも大きなヒントになるというわけです。
それはようやく標準理論のバグ取りが可能になるから。実に40年ぶりに。
つまりヒッグス粒子は研究者にとって最後の希望とかそういう・・いや、最後でもないか。
まだLHCに発見してほしいものはいろいろあります。（超対称性粒子とか・・。）
[1] 場の理論や量子力学の修正ではなく、ラグランジアンの修正です。
皆さんも自分のつくったプログラムにバグがあったら C言語のバグではなく、まずは自分の書いたコードのバグを疑いますよね？ つまりそういうことです。
物理学 Advent Calendar 2014 を立ち上げ管理してくださった id:tanaka733 さん、 id:aetos382 さんに感謝致します。
皆さんの記事を楽しませていただきました。飛び入り参加ですみません。
お目汚しすみませんでした。
メリークリスマス。良い夢を。
id:allthereiznika わかりやすかった。出来れば参考ページ・書籍も示してくれるともっと良かった。
一般向けの解説書は僕はよく知らないのですが
こんなのが出るみたいですね。目次を読む限り良さそうです。
Chapter2 が標準理論の破れの話ですが、どうも最近の話題が入っているようなのでちょっと差し引いて読んでください。
Chapter3 が標準理論の改良の話（超対称性理論etc) 。 それから上でちょっとでてきましたが、
「場の理論」自体がより基本的な理論の有効理論であると思われています。（より基本的な言語・・アセンブリ言語とでも例えるべきでしょうか？）
３年も前のツイートが今頃RTされておれのタイムラインに表示された。内容はこうだ。
おいスーパーの短冊で「彦星爆発しろ！」って書いた奴。マジレスすると１７光年程度しか離れてない彦星ことアルタイルが何を間違ったか「よーしいっちょ超新星爆発してみっか」と要らんやる気出したら半径５光年は即死、５０光年先まで壊滅だ。宇宙なめんなよ、お前の願いで近所のスーパーがノヴァい。
おもしろい。でもちょっと待てよ５光年は即死っておかしいだろ。超新星爆発は光速を超えるとでもいうのか。いや、ニュートリノは超えるかもしれないが、即死は言いすぎだ。
これをリツイートしてる連中はそういうの気にならないのかな。
なんか、誰の役に立つのか分からんけど、私が高校生の頃にこういう説明があったら良かったなぁ……とふと思ったので書いてみた。
さて、大学の理学部物理学科に入学するとしよう。基本的に物理学科は、専門が進んでいくと、
この２系統x２分野で、4カテゴリだけに全てが収められる。意外に思われるかもしれないが、私も当時（学部３年頃）びっくりした。本当にこの４つしかない。
まず理論系と実験系だが、その名の通り。理論系に進むと実験はやらずに、ひたすら理論だけ。本当に紙と鉛筆だけで物理モデルと数式を弄るだけのツワモノもまだいるけど、最近は、第一原理計算などのコンピュータシミュレーションも多い。
一方実験系に進むと、元旦に液体窒素を汲んで延々と真空ポンプのお守りをしたり、「吸い込むと死ぬ」「空気に触れると爆発する」とかナチュラルに危険すぎるガスをぶぉんぶぉん基板に吹き付けたり、TEM(透過型電子顕微鏡)の試料作成と軸合わせに12時間かけたあとに休憩も取らず深夜3時から測定開始したりする。要するに不死身である。しかも給料ももらわずに学費を払ってこれをやるのだから真性マゾである。……話がそれた。
大学院進学の際、実験系には希望すれば誰でも進めるが、理論系へは相当の能力(とりあえずはテストの成績と言って良い)が無いと進むことはできない。まぁ学部３年くらいになれば、物理ができるヤツと物理ができないヤツの本質的な差が自他ともに見えてくるので、みんな自分がどっちに進むべきかはおのずから悟って判断する。そのため、「理論系に進みたかったけど成績が足りずに不本意ながら実験系に行った」って人は、実はほとんどいない((が、一部の実験系の人はやはり理論系の人にコンプレックスを持っており、理論の人を揶揄する実験系の人も時々いる。そういう人は学生時代はあまりそれは出ず、准教授や教授クラスになってそうなる人が多い))。私の周りでも、理論系に行った人たちはやはり「天才」と呼べるだけの圧倒的物理センスを持っている人ばかりだった。
なお、実験系から理論系へ、または理論系から実験系へ移る人も、滅多にいないがいる。そういう人はものすごい変人か、ものすごい優秀かである。もちろん、変人かつ優秀の場合も多い。
先ほど言ったように、物理学科ではこの２つの分野しかない。意外だろうけどそうなのである。
物性物理学は、モノの性質を「なぜだろう」と問う学問である（と思う）。例えば物性理論の第一原理計算では、「なぜ銅は銅としての性質を持つのか」を、原子番号の29という数字だけ入れて作り上げようとする。一方、物性実験系だった私は、毎日毎日ひたすら真空ポンプのお守りをしながら、ナノ微細構造の作成とその電気特性を測定していた((今日は作成温度500度、明日は550度、明後日は600度……お、550度が一番いいな。みたいな))。その他、金属や半導体、光デバイス、磁性や超伝導、電磁気的性質、まぁそのへん全部物性系である。応用例も広く、就職も比較的マッチングしやすいので、物性実験系が物理学科のもっともスタンダードな専門となる。
一方、素粒子は毛色が違う。「素粒子」と「原子核」で分ける人もいるけど、面倒なので一緒にする。有名なところでは加速器をやってる人たち。高エネルギーと呼んでいる大学もある。要するにモノの性質を問うのではなく、モノを作っている原子の中身とその構造を追っていく学問だ。クォーク、ニュートリノ、グルーオンなどSF好みな題材が多い。素粒子は物性と違い、その経験を活かして就職しようとしても口が少ないため、アカポス狙いになってなかなか難しい。ただ、学部卒や修士卒で就職するつもりで専門に拘らないなら、分野なんて全然関係ないので気にしなくていい。素粒子から普通にリクルートや電通、化学系企業なんかに行った人はいっぱいいる。しかし博士課程に行くと……ポスドク地獄まっしぐらが待っている、気をつけよう。
みんな大好き宇宙論は、宇宙地球科学科が無い大学だと物理学科の素粒子に繰り込まれてしまう。高エネルギーとか場の理論とかになると、どうしてもそちらなので。
なお、物理学科に入る人で「宇宙論やりたい」って人はたくさんいるけど、講義が進んで悪魔のテンソル計算が山のように出てくると、多くの人が挫折してむしろ宇宙論が嫌いになってしまう。足の上げ下げ、共変・反変、今思い出しても夢に見そうだ。
