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。

回答No.5

guiter

u13 さんご指摘ありがとうございます。

この手の話は突っ込むことの出来る人が減ってしまうので、
特にミスのないように注意しているつもりなのですがやってしまいました。
自分で書いておいてなんですが、u13 さんの仰る通り
K2K 実験で電子を弾くことはまず起こらないですね。

回答No.4

u13

guitarさん、kouraさんのご回答のとおりだと思いますが,ちょっとだけ補足させてください。

古典的な描像では物質の衝突などの時には力（F）は衝突にかかった時間Δｔを用いると運動量変化としてΔP＝ＦΔｔのようにあらわせます。
素粒子の衝突などを考えるとき,上記のような反応時間Δｔが定義できないの通常Ｎ（ニュートン)ではあらわさないのだと思います。運動量移行は慣例で電子ボルト/ｃ（光速)などの単位であらわしますがこれは古典的な単位ｋｇ・ｍ/ｓで表すこともできるので便宜的にΔｔ＝１０のマイナス１５乗秒などとすれば一応古典的な力のようにＮ（ニュートン)に直すことも可能なはずです。が、Δｔが意味を持たない量なのでＦも意味を持たなくなってしまいます。

guitarさんのすばらしい回答に突っ込みを入れるのは恐れ多いのですが,ニュートリノ屋として書かずにはいられないので...
＞飛んできたニュートリノがごく稀に水槽内の水分子中の電子を
＞弱い相互作用をすることにより弾き飛ばしています。
つくばから撃つニュートリノがスーパーカミオカンデで弾き飛ばすのは主に水の中の原子核中の陽子または中性子です。
６年間実験を続けても多分電子を弾き飛ばす反応は１例も見つからないはずです。太陽からのニュートリノの場合にはエネルギーが小さく原子核をはじけないので分子中の電子を弾き飛ばします。

回答No.3

koura

ご存知と思いますが、まったく新しい発想で４つの力を大

統一しようとする研究もおこなわれています。

ハンガリー出身のジョン・シャワルツらの研究による

「超ひも理論」（スーパー・ストリング理論）です。

この理論では、物質の最小構成要素は素粒子ではなく、

振動する短いひもであるとしていることなのですね。

ひもといっても、その長さは10のマイナス35乗センチメール、
これは１メートルを３回、１兆分の１にした長さ（短

さ？）で、いわば究極の最小物質というわけです。

この理論では宇宙は10次元時空をもち、われわれが目にす

る３次元と時間の１次元以外

の次元は、超ひもの中に閉じこめられているとされます。

非常にユニークだと私は思います。けれども

この理論で説明すれば、４つの力も統合され、ビッグバン

やブラックホールの特異点のような現象も矛盾なく解決で

きるとして、注目を集めています。

回答No.2

guiter

＞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？
弱い力は私達の目に見えるようなマクロな大きさの物体には働きません。
重力相互作用や電磁相互作用と異なり、力の到達範囲が大変短いのです。
したがって、原子核のような小さいものにしか働かないので
普通はニュートン単位では表しません。

＞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）？
到達距離が短いので素粒子反応くらいしか弱い相互作用の例がないですが、
今、日本で行われているニュートリノ振動実験をご存知でしょうか？
この実験では高エネルギー研究所（茨城県）から、ニュートリノという粒子を
スーパーカミオカンデという巨大な水槽（岐阜県）に打ち込んでいます。
そこで、飛んできたニュートリノがごく稀に水槽内の水分子中の電子を
弱い相互作用をすることにより弾き飛ばしています。

＞もしも強い力もＮで表されないのなら、そもそも力とは何ですか？
＞物体に加速度を生じせしめる源という古典的定義は間違っているのですか？
少なくとも現在の素粒子物理では、物体に加速度を生じさせるものという定義ではないですね。
この回答中でも使っていましたが、力のことを相互作用と呼んでいます。
２つの物質が相互に粒子を交換することで、互いに影響を及ぼすというイメージです。

二人でキャッチボールをしているところを考えてください。
電磁相互作用の場合、使われるボールは光子(質量０)です。
どれだけ遠く離れてもキャッチボールをすることが出来ます。
しかし、弱い相互作用の場合、使われるボールはウィークボソンという重たい粒子です。
したがって、少し離れるとキャッチボールが出来なくなってしまいます。

物理学では力というものをこのように考えていますが、
上に挙げた、ニュートリノが電子を弾き飛ばすというような例では
tjn さんの（重力や電磁気力と同じような）直感的なイメージで
弱い相互作用を考えても構わないと思います。
崩壊などの様々な現象をひっくるめて考えようとしたときには、
どうしても古典的な考え方が通用しなくなってきます。

回答No.1

u13

あれ？？？「強い力」はNであらわせますか???

弱い力はおっしゃる通り放射性元素やミューオンなどを崩壊させたりニュートリノと物質を衝突させたりする力です。

補足

早速のご回答有り難うございます。まったく素人なので申し訳ありませんが、強い力は要するにクォークを結合させる力だから、つまり引力なのだからその強さはＮで表されると思っていました。もしも強い力もＮで表されないのなら、そもそも力とは何ですか？物体に加速度を生じせしめる源という古典的定義は間違っているのですか？