仮想粒子として知られる巧妙な数学的ツールが、素粒子の奇妙で神秘的な内部動作を解き明かす。このツールがなければ、原子内のこれらの粒子に何が起こるかは説明されないままなのだ。仮想粒子を使った計算は、素粒子の奇妙な振る舞いを驚くべき正確さで予測するため、一部の科学者は「仮想粒子は本当に存在するに違いない」と考えている。
仮想粒子は実在しない――その名前にはっきりとそう書かれている――が、実在の粒子が互いにどのように相互作用するかを理解したいのであれば、避けては通れない。仮想粒子は、自然界に見られる3つの力、すなわち電磁気力、強い核力、弱い核力を記述するための不可欠なツールだ。
実在の粒子は、適切な機器で「見る」ことや検出することができるエネルギーの塊である。この特徴が粒子を観測可能、すなわち実在のものにする。一方、仮想粒子は洗練された数学的ツールであり、見ることはできない。物理学者Richard Feynmanは、実在の粒子間の相互作用を記述するために仮想粒子を発明した。
しかし、多くの物理学者はこの明確な区別には納得していない。研究者は仮想粒子を検出することはできないが、計算のツールとして、超高感度実験が驚異的な12桁の精度で確認した多くの微妙な効果を予測する。この精度は、北極と南極の間の距離を髪の毛1本の幅よりも正確に測定することに匹敵する。
測定と計算のこのレベルの一致により、仮想粒子は科学において最も徹底的に検証されたアイデアとなっている。そのため、一部の物理学者は問わずにはいられない。数学的ツールが実在になりうるのだろうか、と。
仮想粒子は、科学者が粒子間の相互作用を追跡するのに役立つ。
帳簿管理のツール
仮想粒子は、物理学者が微視的な素粒子の世界で力がどのように作用するかを計算するために使うツールである。力は測定できるため、実在するものだ。
しかし、力を直接計算しようとする代わりに、物理学者は短命の仮想粒子が力を運ぶという帳簿管理システムを使う。仮想粒子は計算をより扱いやすくするだけでなく、物理学における長年の問題も解決する。その問題とは、力はどのようにして空っぽの空間を越えて作用するのか、というものである。
仮想粒子は不確定性原理を利用する。この原理では、これらのはかない粒子が十分に短時間しか存在しなければ、一時的に空っぽの空間からエネルギーを借りることもできる。エネルギー収支の曖昧さがこの短時間の不均衡を隠し、仮想粒子が実在の世界に影響を与えることを可能にする。
このツールの大きな利点の1つは、粒子間の力を記述する数学的操作を図として視覚化できることである。これらの図は、仮想粒子を使った粒子のピンポンの棒人間漫画のように見える傾向がある。ファインマン・ダイアグラムと呼ばれるこれらの図は、優れた直感的な枠組みを提供するが、仮想粒子に欺瞞的な実在性のオーラも与えている。
ファインマン・ダイアグラムは、物理学者が粒子相互作用を計算するのに役立つ。
驚くべきことに、仮想粒子に基づくこの計算方法は、科学全体で最も精密な予測のいくつかを生み出す。
現実性の検証
すべての物質は原子と呼ばれる基本的な構成要素でできている。原子は、その中心にある陽子と呼ばれる小さな正に帯電した粒子と、その周りを取り囲むさらに小さな電子と呼ばれる負に帯電した粒子でできている。
Mississippi State Universityの物理学・天文学の教授として、私は実験を行っているが、その実験はしばしば、我々の機器で見られる電子と陽子が仮想粒子を交換することで相互作用するという考えに依拠している。私と同僚は最近、水素原子に電子ビームを照射することで、陽子のサイズを非常に正確に測定した。この測定は、電子が仮想光子、すなわち電磁エネルギーの粒子を交換することで、水素原子の中心にある陽子を「感じる」ことができると仮定している。
物理学者は、2つの電子が互いに反発する様子を、仮想粒子を使って極めて精密に計算する。関与する力は、2つの電子が仮想光子を交換する累積効果として表される。
真空中で2枚の金属板を極めて近くに配置すると、互いに引き合う。これはCasimir効果として知られている。物理学者は、仮想粒子の数学を使って、板を引き寄せる力を正確に計算できる。仮想粒子が実際にそこにあるかどうかにかかわらず、数学は研究者が実際の世界で観測することを正確に予測する。
仮想粒子ツールキットを使ってなされたさらに別の神秘的な予測は、いわゆるHawking放射である。仮想粒子対がブラックホールの縁で存在状態に飛び込むとき、ブラックホールの重力が一方のパートナーを捕らえ、もう一方が逃げることがある。この分裂により、ブラックホールはゆっくりと蒸発する。Hawking放射はまだ直接観測されていないが、研究者は最近間接的に観測した。
有用なフィクション
問いに戻ろう。数学的ツールは実在になりうるのだろうか。仮想粒子によって運ばれると想像することで力についてのすべてを完璧に予測できるなら、これらの粒子は実在として認められるのだろうか。架空という地位は重要なのだろうか。
物理学者はこれらの問いについて意見が分かれたままである。一部の者は「黙って計算する」ことを好む――これはFeynmanの有名な警句の1つである。今のところ、仮想粒子は粒子がどのように振る舞うかを記述する最良の方法である。しかし、研究者は仮想粒子をまったく必要としない代替的方法を開発している。
成功すれば、これらのアプローチは仮想粒子を永久に消し去る可能性がある。成功するかどうかにかかわらず、代替案が存在するという事実そのものが、仮想粒子が物理的真実というよりも有用なフィクションかもしれないことを示唆している。これはまた、科学における過去の革命のパターンにも適合する――エーテルの例が思い浮かぶ。物理学者はエーテルを発明した。それは光波が伝わる媒質としてである。実験はこのツールを使った計算とよく一致したが、実際には検出できなかった。最終的に、Einsteinの相対性理論がそれが不必要であることを示した。
仮想粒子は現代物理学の印象的なパラドックスである。存在すべきではないのに、磁石の強さからブラックホールの振る舞いまで、あらゆるものを計算するのに不可欠である。仮想粒子は深遠なジレンマを表している。時として、現実への最良の洞察は、注意深く構築された幻想を通じてもたらされる。結局のところ、仮想粒子をめぐる混乱は、基本的な力を理解するための代償にすぎないのかもしれない。
