弱い力

質問

自然界にある４つの力、３つは何となく直感的に見えるのですが、弱い力がよく判りません。この力も他の力と同じようにＮ（ニュートン）を単位をして表せるのですか？表せるのならその力は何を動かすのでしょうか（何かを崩壊させるのではなく）？表せないのなら何で「力」と表現されるのでしょうか？

回答No.6

hogehogeninja

僕の持っている古典的なイメージとのつながりです。

力は、ずっと力をかけていても、実は連続的ではありません。
ちょうど水が連続的なものに見えても、実はとてつもなく小さい粒子の集まりなのと同じように、力を媒介する粒子が何度も何度もぶつかって、少しずつ「反動」（運動量）をもらっています。

たとえば、車を動かすのに、ボールをばんばんあててその反動で動かすみたいなかんじです。（よくわかんない例えですね＾＾；車が潰れてしまいます）ボールが力を媒介する粒子で、ボールの持っている勢いで「力」（厳密には力積）を伝えます。ボールが当たった瞬間に力積を与えるので、平均の力は単位時間当たりの力積なので、ボールが１秒間に何回当たったかが分かって初めて力は意味がでてきます。

つまり、車にボールが当たった瞬間にボールの運動量を与えて、その瞬間に車の運動量ががらっと変わる訳です。車は一瞬で運動量（速さ）がかわるので加速度は意味をもたないわけです。ただものすごくたくさん当たった時にその平均としてちょっとずつ速さが変わっていくように見えるとき、物理量としての力が意味があります。

こんな感じで、粒子が「力」を媒介する時、ある一瞬の前後でがらりと速さが変わってしまい、基本的な量は力でなくて運動量です。素粒子の世界で「力」といっているのはもう力の概念みたいなもので、厳密に定義できないです。（分子１個１個を見ている時に水の密度を考えようとしているようなもの）

ところで、じゃぁ具体的にどんなものがどんな種類の粒子を出して、どのくらいの確率で出して、どんな粒子がどのぐらいの確率でそれを吸収してどのぐらいの運動量を受けとるか、ということが「力」を理解するうえで知りたくなってきます。それが素粒子の理論です。
力を媒介する粒子には光子（電磁気力）、Z,W+-（弱い力）、グルオン（強い力）、重力を媒介するもの（重力）、とありますが、重力以外では、日常の現象はすべて電磁気力によるもので、それ以外はありません。で、光子を放出する時はその前後で放出する粒子はもともままですが、W+-なんかは放出すると放出した粒子は別の粒子にかわってしまいます。
たとえば、dクオークが W- を出すと、dクオークはuクオークに変わって、
d -> u + W-
となり、W-が他の粒子に吸収されて「力」（運動量）を媒介します。
こんな風に前後でものが変わってしまう相互作用では、崩壊が起きます。逆に、いろいろな崩壊を調べてみて、どんな粒子がどんなものを放出して何に変わるかが分かる訳です。

要するに、「力」を理解しようとすると、突き詰めると粒子が別の粒子を放出したり吸収したりして運動量を媒介して伝えていることが分かったので、その放出する瞬間、吸収する瞬間を、崩壊や加速器を使ってみることが力の理解になる訳です。

弱い相互作用も含めてこの見方は共通ですが、強い相互作用や電磁相互作用では、粒子がグルオンや光子を放出して自分で吸収する過程が頻繁に起こり、周りに場を作り、全体として有効なポテンシャルを考える考え方もあります。これは古典的なイメージに通じるので分かりやすいです。おそらく、これで強い相互作用や電磁相互作用は r の何乗に比例するという説明があったのでしょうか。
もしそうなら、弱い相互作用も同じようにポテンシャルを考えることもできます。でも実際にそれを有効に使える場面がなく、弱い相互作用はポテンシャルのイメージより基本的な個々の過程で説明してあるのだと思います。
もっとも基本は、個々の粒子が個々の力の粒子を放出したり吸収したりする過程です。