一番小さいものと一番大きいものはなぜつながるのか：理論物理学者・野村泰紀が語る素粒子と宇宙

一番小さいところと一番でかいところなんですけど、関係してるんですよ。非常に近い分野でね。逆に結構比較的簡単で、例えば小さいところを探るって、目で見えるわけじゃないわけですよ。当然、むっちゃくちゃ小さいんで。

アインシュタインが最初に相対性理論を見つけた。自然界って、加速すればするほどスピードが速くなると思うわけです。ニュートンだと力が加速度になるんで、力さえ加えればどんどん速くなるやんけと思うんですけど、速くなればなるほど加速しづらくなって、いわゆる光のスピードっていうのを絶対に超えられないんですよ。1秒間で地球7周半分なんですけど。

ニュートリノだとね、実は私たちの体もいくらでも通り抜けてるっていう。と言われると、理論的にはそうかもしれないけど、でもどうやって通り抜けられるのって思っちゃいますよね。

でもそれはですね、面白くて、逆にスカスカ通り抜ける方が普通なんです。

私が今話を聞きたいのはこの方です。理論物理学者の野村泰紀さんです。よろしくお願いします。

1974年生まれの野村泰紀さん。理論物理学者で、専門は素粒子論と宇宙論です。東京大学理学部物理学科を卒業し、東京大学大学院理学系研究科物理学専攻で博士課程を修了。その後はカリフォルニア大学物理学教授、現在はラインウェーバー理論物理学研究所長を務めています。

大変な経歴ですからね、少年の頃はかなり真面目だったのかなと思いますが、実は意外にそうでもなくてですね。特に通っていた中学校は、いわゆるスクールウォーズのように荒れた学校だったそうですね。ズボンの太さで序列が決まっていたそうですが、そこでその序列を破ってしまって、大変な目にもあったそうです。

高校は超体育会系の軟式テニス部で、水を飲んではいけないという昭和的な規則を乗り越え、神奈川県のベスト4まで進出しました。スポーツ根性の世界で鍛えられていた少年が、いかにして物理の道に目覚めたのでしょうか。今日はどうぞよろしくお願いします。

どうもよろしくお願いします。

なんでそもそも宇宙に興味を持つようになられたんですか？

そうですね。だんだんとなんですけど、僕、昔のこと全部忘れちゃう人なんで、最近まで覚えてなかったんですけど、最近聞いていただく機会が増えまして。そうすると、最初はもう中学校ぐらいの頃から、たまに読んでたりしてましたね。そういういわゆる一般向けの、講談社のブルーバックスってシリーズとかあるんですけど。

ブルーバックスっていうのは、新書の形で科学について分かりやすく説明する本ですよね。

そうですね。一般向けの。

でもあれ、中学生には結構難しいのもありますけど。

そうですね。多分図書室とかにあったんじゃないですかね。あんまりそういうとこにこもる人ではなかったんですけど、でも何冊か読んだ記憶があって、興味持ってた記憶がなんとなく、言われてみれば思い出してきましたね。

でも大学の進路を決める時に、やっぱり宇宙物理学を研究したいと思われたんですか？

そこまではよく分かんなかったです。物理っていろんな分野があるんですよ。例えば物性物理とか、もう最近は生物も物理でやる生物物理とか、素粒子とかあるんですけど。大体、物理学とか自体もそんなに分かってないので。

それが高3の時に、たまたま高校の先生が、趣味で物理の相対性理論とかを夏場にお話ししてくれる時が。先生、一応受験だったんですけど、だから受験に出ないものは普通あんまやらないんですけど、彼は夏場にそういう話を、話が好きなっていうか上手な方で、いろいろ学生集めてやったんですよ。高3で受験あるからみんな来ねえだろうと思ったら、結構埋まっていて。

そこで、こういう世界があるんかと。結構やっぱ面白いっていうか、変なんですよ、相対論とか。こういう仕事を、物理学者になるかはまた別として、僕、地方の県立校だったんで。でもこういう感じのことを調べながら生きていけたらいいなっていうのはなんとなくあって。進路として、理学部が強そうな大学にするっていうんで、結果的に自分は東大に、東京大学に行くんですけど。

でもその後ですね、一般に就職する道と、それから研究者の道ってありますよね。なぜ研究者の道を選ばれたんですか？

物理の中でも僕のやってるのって、素粒子物理っていうとか、宇宙論っていうんですけど。それ、実は一番小さいところと一番でかいところなんですけど、関係してるんですよ。非常に近い分野で、逆に。

素粒子物理っていうのは、自然界の物質、分子でできていて、分子が原子でできていて、原子も原子核の周りに電子が回っていて、原子核も陽子と中性子っていうのでできてるんですけど、陽子と中性子もクォークっていうものでできて。そいつらがどういうふうに、相互作用っていうんですけど、どういうふうに当たったらどういう力で動いていくかみたいなのを調べる学問で。

宇宙の方はそういうのを使って、宇宙ってそれでできてるわけなので、そういうのを使って宇宙はどういうふうに変わっていくか。宇宙ってもう変わっていってるっていうのは分かってるんで、昔は全然違う世界なんですよね。温度が1兆、数兆度で、原子も元々は存在しなかったものがだんだんできてくるんですけど。そういうのを調べる学問の方に興味を持っていったんですね、物理の中でも。

そうすると、やっぱ企業ではできないんですよ。

なるほど。

何の役にも立たないんで、少なくとも直接は。だから、こういうのをやりたいと思ったら、勉強してその後の人生でもやりたいと思ったら、もう多分研究者しか道がないんですよね、この分野は。

私が野村泰紀さんに聞きたいことは、まずはそもそも宇宙ってどんなものなのということを知りたいですよね。あるいは素粒子物理学とはどんな学問なのか、宇宙の始まりにはどんな謎があるのか。さらに95％解明もできていないと言われる宇宙で、分かっている5％というのは一体どんなことなのか。そして破天荒だったという学生時代の話も聞いてみましょう。

特に素粒子っていうとね、本当にこれ以上分けることができないような一番小さなものとして、宇宙は広大な宇宙。それが結びつくっていうのは、なんとなくピンとこないんですけどね。

それはですね、こう言うと結構比較的簡単で、例えば小さいところを探るって、目で見えるわけじゃないわけですよ。当然、むっちゃくちゃ小さいんで。例えば原子より原子核って5桁小さいので、原子核が1円玉だとすると、電子の回ってるところって1km先とかなんですよ。だからもう全然違うんですよ。それよりさらに4桁ぐらい、1万分の1ぐらいのところを今見てるんで、目で直接光で見るというよりは、物をぶつけるんですよ。

物で細かいとこを見ようとすればするほど、すごい高いエネルギーでぶつけて、よりぶっ壊さないといけないんですよ、粉々に。その粉々にぶつかったものを集めて解析して、逆算してどういう構造になってるかを調べるんですよね。だから小さいところを調べようと思うと、大きなエネルギーがいるんで。すごいでかいマシンを使ってるのはそういうことなんですよ。粒子加速器っていって。

あれ、何キロにもわたるとてつもないものですよね。

そう。ヨーロッパとかにある、ヨーロッパにあるのが今、スイスとフランスの国境にあるのが、世界で今一番エネルギー高いんですけど。27kmあったかな。回して光のスピードの99.99999％にして、ぶつけてぶっ壊す。すなわち小さいところっていうのは高エネルギーと関係してるんですよ、こういう意味で。

これは数学と直接関係してるんですけど、小さいとこを見ようと思うとエネルギーを高くしなきゃいけないし、エネルギーが高いところの物理って、小さいところの物理学に関係してるんですけど。そうするとですね、宇宙って今膨張してるんですよ。銀河と銀河の距離がどんどん遠ざかって、すなわち密度が低くなっていってるんですよ。

ってことは、昔、宇宙がどうやって出発したかを調べたければ、時間を遡れば宇宙ってもっとぎゅうぎゅうに詰まっていって、密度が高くて。密度が高いってことは、圧縮すると温度高くなっちゃうんですよ。そうすると高エネルギーの状態だったんで、この高エネルギーで何が起こるかっていう理論がないと、調べようがないんですよ。

なるほど。

それを調べる手段は、高エネルギーにして、小さいところがどういう構造になってるかを地上で見てやる。そっちは素粒子物理ですけど、そうやって見つけた理論を使って宇宙を調べないといけないので、もう直接関係してるんですよ。

ということですね。例えばヒッグス粒子のようなものはね、あるに違いないっていう理論から導き出されるけど、実際は証明されていないものが証明されたみたいなね。これ、不思議って不思議ですよね。

いろいろそういう理論って結構強くて、例えば宇宙が膨張してるとかいうのも、最初は理論だったんですよ。アインシュタインが最初に相対性原理を見つけた。自然界って、加速すればするほどスピードが速くなると思うわけです。ニュートンだと力が加速度になるんで、力さえ加えればどんどん速くなるやんけと思うんですけど、速くなればなるほど加速しづらくなって、いわゆる光のスピードっていうのを絶対に超えられないんですよ。

1秒間に地球7周半分なんですけど、1秒間に3億m、秒速3億mぐらいなんですけど。ってことは、そこが最高スピードなんですよ。っていうのを見つけた時に、でもニュートンの重力だと光のスピード超えちゃうんですよ。

光のスピードが自然の最大速度になってるんで、太陽と地球の間って光で8分かかるので、もし太陽が消えても8分間は太陽が消えたってことに気づかないはずなんですよ。だけどニュートンの理論だと引力で回ってるので、太陽が消えた瞬間、引力なくなっちゃうから地球まっすぐ飛んでっちゃうはずなんですよ。ってことは瞬間的に消えたって情報が伝わっちゃうんで、相対性原理と矛盾しちゃうから、彼はその重力論を修正する必要があったんですよね。修正した結果できたのは、一般相対性理論っていうんですけど。

それによると実は、太陽とこれ、引力じゃなくって、太陽が空間を曲げて。よくやる比喩は、トランポリンの上にボウリングの玉を置くと沈んでいくからと。そこにパチンコの玉をポンってやると、ぴゅるって、こんな感じになってるんだと。空間が曲がって、その曲がりのせいでうまく回って。そうだとすると、太陽取ってもトランポリンが一気に平らになるわけないので、徐々に戻っていくんですよ。その戻りがちょうどその最大速度になるような理論になってるんで、太陽消えても8分間は回り続ける理論になっていて。そういう理論を作るんですよね。

それを宇宙全体に当てはめたら、どうもそのまま宇宙がずっとあるっていう答えがないんですよ、方程式を解くと。広がってるか収縮してるかしかなくて。でも当時、宇宙ってずっとあると思ってるんで、そんなはずはないっていって、アインシュタイン、自分の方程式をいじり始めるんです。

そうでした、そうでした。いじってしまったのは失敗だったって言ってます。

そうです。だって自分の作ったきれいな式ですよ。それが結果、膨張するって言ってるのに、あれだけの天才でもやっぱ信じきれずに。数年後、実際膨張してるんですよ。

そうです。

っていうふうに、理論が先っていうのは結構あるんですよ。っていうか、ほとんどそうなんです。ヒッグスは今そのうちの一つなんで、別の例をちょっと出してみたんですけど。例えば、全ての物質には反物質っていう性質が反対なものがあるっていうのも、方程式を書いて、それポール・ディラックっていう人ですけど、書くと必ず出ちゃうんですよ。ディラックも天才ですけど、彼も信じられずに。

なるほど。自分が導き出した理論が信じられないわけ。

ええ、だってないじゃねえかと。でも作ったりすると、もはや普通に作れて、その後見つかるんですけど。ニュートリノは理論自体は、もうすでに理論的にそういうものがなきゃいけないっていうのはあったんですよ。パウリですけど。それも本当簡単な話で、ちょっとアホみたいな話で、中性子っていうのが壊れるんですよ。

壊れる時に陽子と電子に壊れるわけですけど、そうすると普通、一つの止まってるものが二つに壊れた時は、右と左にポンと正反対になんです。