物質を構成するものの最小のものは？

質問

ずっと気になっていたことなのですが、カテゴリ分けも果たしてここでよいのかどうかわからないのですが、質問です。
よく電子の結びつきのモデルや元素などをグラフィカルに表現するときにそのものが丸く描かれていますね。そして昔何かで、どのような物質の結びつきの間にも必ず「隙間」の様なものが出来ると聞いたことがあるのですが、さて、最も小さいとされている物質（と呼んでよいのでしょうか？）同士の隙間には何があると解釈すればよいのでしょうか？先に述べた「昔聞いた話」が誤りで、最小の物質同士は完全に密着した状態で結びついているのでしょうか？
私のような一般人が日常生活を送る上で、まったく不要な知識だとは思うのですが、小学生の頃から20年近くも心に抱いていた疑問なので、どなたかわかりやすく説明してくれる方がおりましたら、どうぞよろしくお願いいたします。

回答No.6

S_Aznable · ベストアンサー

こんにちは、私は元物理学者（を目指していた⇒自称とも言う・・・）
のタマゴです。私が研究室から離れて６年近くが経つので、現在の最新
科学の答えは違うかもしれませんが、一応書いときます。

最も小さい物質について
　　簡単に大きい”物”から書きます。
　分子⇒原子⇒中性子⇒　　　　　　　⇒クオーク
　　　　　　　陽子　　　電子（±）
　とされております。クオークには世代（状態別）別に次のように
　分類されます
　　　　　アップ⇔ダウン
　　　　チャーム⇔ストレンジ
　　　　　トップ⇔ボトム
　　　　νトリノ⇔反νトリノ
　　　　　　電子⇔陽電子
　これら（10コ）のクオークが３つが作用して（集まって）色々な
　素粒子を生み出します。（どれとどれとどれで何と言うのは忘れた!!）
　また、それぞれ矢印の右側と左側は、相反する性質（状態）を持ってお
　ります。例えば電子と陽電子は電気的に±逆です。それぞれが
　反応・生成する事を”対消滅反応”といいこの反応が起きうる場所
　（一般的には”場”とか”フィールド”と言います。）を特に
　ヒッグス場と言います。付け足しますと場の存在する所（地球上も
　磁場、電場、重力場などに囲まれています。）であればどこでもこの
　ヒッグス場に成りうるのです。ただし地球上の場の力（エネルギー）は
　非常に微弱なので反応が起こる”確立”が小さいので、あまり日常には
　関係ありません。
　　ちょっと横道にそれましたが、クオークが今のところ最小単位とされて
　おります。そのクオークは場により生成されるから乱暴に言うと下記の
　通りに結論できます。
　　　　　　　　場＝クオーク（＝最小単位）
　　まだ確証がないのですが、クオークより小さい単位があるのでは・・・
　と考えている科学者もいます。彼ら曰くそれは”ひも”だそうです。
　例えですが、弦楽器を思い浮かべてください。弦（ひも）の振動により
　我々は美しい音楽を聴くことができます。これと同じように”ひも”の
　振動状態、長さ、エネルギーなどでクオーク（＝物質）を定義できる
　という理論です。つまり”ひも”の状態により物質を区別できるという
　理論です。

物質間には何があるのか？について
　　物質の最小単位はどうやら”ひもの状態”みたいてす（クオークとし　
　ても良いです。）。少し考えてみましょう。何があるのか・・・＝
　何かを見（観測）しようという行為です。我々が観測するには通常は
　光を使います。光は波の性質と粒子（つぶ）の性質の２種類を併せ持っ
　ています（相補性とも言います）。この相補性は微粒子であればどれでも
　認められる性質です。見る＝光を感じる事です。日常的に車とかを見る
　場合は光の粒子のエネルギーや質量が車の質量に比べて充分に小さいので
　車には影響が及びません。逆に今議論しているミクロの世界ではそうは
　いきません。例えば電子の位置と速度を割り出そう（観測）とすると、
　どちらか（位置と速度）が不確定な状態になります。つまり位置と速度は
　一度に測ることができないのです。科学の世界ではこれらを”確立”で
　表します。ココにこの速度で存在する確立が大きいと言う具合です。
　これをグラフィック的に表現すると”雲”のような見え方になると
　思います。
　　横道が長かったのですが・・・。物質の最小単位の間には、何かの素粒子
　がある事もあれば無いこともある。素粒子はクオークと言いました。
　クオークは場です状態です。つまり物質間には何か状態を決めている
　”ひも”があったり無かったりする、有耶無耶な雲が存在しているのです。
　　他の人も説明している”場”があるよ・・・っていうのはこれらの
　バックグラウンド的な理論の上に成り立っています。

結論＞
　　・物質の最小単位⇒クオーク（もしくは”ひも”）
　　　　　　　　　　　　　　　”ひも”は状態つまり”場”です。
　　・物質間には⇒場があったり無かったり。量子論的雲がある。

以上です。
　長々とすみませんでした。

お礼

ありがとうございます
ご説明を私が正しく理解しているかと言われると「？」な部分もありますが、イメージとしてはだいぶ分かってきたと思っています。
こういった研究は、なにか確定しているものの整合性を見いだすために行われていると思っていたのですが、どうやら突き詰めて行く先はまだまだあるようですね。

回答No.10

motsuan

ごめんなさい
No.110261で訂正です。
”いつもクオークを３つ揃えてないとだめな性分で ”
といっていますが、これはバリオンと呼ばれる粒子を形成する場合で
メソンと呼ばれるのはクオークと
反クオークで束縛しあって粒子を作ります。

でも本当に訂正したいのは最後の落ちのところで
「最小の物質の間はある意味非常に密着している・・・」
というところで本当は「糊でくっついている」が
落とさないといけない！と思いました。

（あと、電子とかニュートリノとかも
　それ以上分けれらない”物質”ですね）

お礼

わざわざありがとうございます。
言葉で説明するのはさぞ大変なことと思います。

回答No.9

frank

ども、またfrankです
うわぁ、ニュートリノの話とか出てきてすごいことになっちゃってますね
結局まだここは研究段階で体系が確立された話ではないのですね
「ニュートリノに質量があった？」なんて話もあったことですし、まだまだ大どんでん返しがあるかもしれないですね
も少し研究の進展のほうを待ってはどうですか？
それがいつになるのかはまったく見当つきませんが・・・

お礼

ほんとに凄いことになってますね。
みなさんのご説明には本当に感謝しています

>少し研究の進展のほうを待ってはどうですか？

どうやらそのようですが、ここに説明してくれているみなさんの話を見ると、どんどん複雑で難解になっている気がして、でも単一の「これだ」という回答が出来ないことは、皆さんの丁寧な説明で十分理解できたと思います。
それにしても、「最終的な一番小さいなにか」というと一般人には最もシンプルな事のように感じますが、「もの」ではないというところで、非常に複雑になってゆくのですね。

回答No.8

motsuan

私が小学校１、２年のころ、絵本に
電子、陽子、中性子が宇宙の中で一番ちっちゃいものだと
書いてあった記憶があります（もう、２５年くらい前です。
大きなものはもちろん宇宙でした。
今の絵本にはクオークってかいてあるのかな？？）

現在の物理では、物質：電子、陽子、中性子の類は距離が離れていても
ゲージ場と呼ばれる場を介して相互作用するように記述できる、
という信念のもとに理論が作られています。
（電子、陽子、中性子も場ですがその場の間のお互いの相互作用が
　また場を介して記述されます。）
電子のゲージ場は光＝電磁場です。
たとえば、電子は光をやりとりして反発しあっている
というように表現できる、という具合です。

皆さんが書かれているように、
一番小さな物質はいまのところクオークがということができるとおもいます。
クオークは物質なので、物質らしくゲージ場をもっていて、
そのゲージ場を膠子（グルーオン）と
呼びます（電子の場合は光なので量「子」的には子をつけて光子です）。
この膠子、名前からしてべたべたしてますが、性質もべたべたしていて
実際、いつもクオークを３つ揃えてないとだめな性分で
（カラーとよばれる量が一定になるようにします）、
しかも、離れれば離れるほど強く引きます
（電子の場合は離れれば離れるほど
　弱くなることを考えるととても不思議です）。
そんなわけで、クオークを単独でみるのは
どえらいこと（事実上不可能）です
（粒子の内部自由度としてみえるようになっています）。
・・・というわけで最小の物質の間はある意味
非常に密着している（それは見えないくらい）とも言えると思います。
・・・説明が下手なのか名詞ばっかりですね。
　　　素粒子論自体が説明のために粒子を作る（存在を予言する）
　　　くらいだから、こうなっちゃうですかね．．．残念

お礼

ありがとうございます
>素粒子論自体が説明のために粒子を作る（存在を予言する）
こういった説明を聞くと、物質の構成や電子、陽子、中性子といったものさえ、人間が行う観測や研究の便宜上の定義であって、「存在の予言」が更に今後も増え続けてゆくのではないかという気がしますね。
研究者の解釈の違いみたいなことってないんでしょうかね？

回答No.7

S_Aznable

場について⇒”場の理論”
素粒子について⇒”量子力学”

電場＋磁場＝電磁場（光も含めて）
（各々が垂直に交差しかつ進む方向は同じ）

一般相対性理論より　Ｅ＝Ｍ×Ｃ×Ｃ
　　　Ｅ：エネルギー、Ｍ：質量（重さ）、Ｃ：光速
　　　　　エネルギーは質量と同じレベル。

回答No.5

noname#211914

直接的な回答ではありませんが、関連質問の回答が以下の参考ＵＲＬサイトにあります。
ますます混乱してしますでしょか・・・？

「ニュートリノ」に関するものです。

ご参考まで。

参考URL：

http://www.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=26943

お礼

ありがとうございます
見に行ってみます。

回答No.4

noname#1019

物質の最小単位は原子であり、それ以下の小さなものは物質ではないのです。いわば「状態」です。
ですからfrankさんのおっしゃる通り「場」という状態が存在しているわけで模式化された原子モデルでは分かりやすいようにそれぞれが球体という「物質」で説明されていますが、原子となって初めて物質と呼べるのであって、原子が結びついてできたのが分子であり、分子の集合体が我々が日常見ている物体なのです。
こういう言い方をする人もいます。「世の中には物体など存在せず、力と作用が存在するだけである」と。その人が言うには『私たちが「物」とか「物体」とか呼んでいるのは「ある状態のかたまり」であって、それを「物体」と認識しているのは光の反射によってそれが目に見えること、触ったときに「物体」と感ずるのは手に力と作用が生じただけである。』と極論しているわけですが、その人が言いたいのは「物」をどんどん小さな単位で見ていくとそこには我々が日常「物」とよんでいるものとは違って「状態」のみが存在しているだけである、ということなのです。従って「原子」未満は「物」ではないのです。

お礼

ありがとうございます
masmasさんのお話をきくと、こういった研究のベースはなにか「思想的」なものなのかと思うくらい奥が深いですね。あくまで理論や数値だけのものかと思っていましたが、「諸行無常」のようなイメージを感じますね。
それにしても「状態」というものは、理解に苦しみます。私は状態といわれるとどうしてもビジュアルイメージが優先してしまい、科学的な理解に結びつけることができません。研究者と一般人の違いなのでしょうね。

回答No.3

frank

タイトルは「最小のものは？」となっているのに
本文の質問は「物質同士の隙間」ですねぇ
どっちで答えればいいのかがちょっと・・・

簡単ですが
原子は原子核と電子に別れ、原子核は陽子と中性子に別れ、それらはさらにクオークに別れます
今のところこのクオークが最小単位とされてますが
原子が最小単位とされていたが、クオークが見つかって訂正されたという歴史もありますから、クオークのさらに下の単位があるかもしれません

最小単位の物質の間の空間はまったく何もないわけではありません
普通は何もないと考えても良いのですが、まったく何もない空間というのは存在せず、どこにでも必ず何かしらの物理的状態が存在します（場と呼ぶ）
主に粒子同士の引力があり、その力は何かの粒子によって伝えられていると考えられています

結論：粒子の間には何もないと考えてよいが、何かしらの物理的状態が必ず存在する

補足

タイトルと質問がかみ合わなくて、ご迷惑をおかけしました。最小のもの=隙間を埋めるもの=最小のもの∞という私の理解力のなさが回答する方の邪魔をしているようですね。
frankさんの結論にあるように、あくまで現時点での科学の限界に於いて定説的に「何もない」としても問題ないという事なのでしょうか？それとも「物理的状態」をエネルギー物質として考えなければならない研究上の定義が、物質を構成するうえで必要なのでしょうか？

回答No.2

blue_leo

最小単位といえばトウソウシンじゃなくてクオークでしょうか？

この手の話ならブルーバックスあたりをさがせば読みやすいのが出ていそうですね。
さがしてみては？

お礼

ありがとうございます。
参考資料など、昔から「これなら理解できそうかな？」と思うものは出来るだけ目を通すようにして興味を持って見ていたのですが、出だしは比喩など使ってわかりやすく説明してくれていても、核心に迫るにつれてどうしても複雑になっていくので困ってしまうこともありましたが、自分なりにいろいろ学習もして行こうと思います。

回答No.1

noname#2748

そこに何か物として認識できるものがあるかといえばＮＯです、何もありません。ただそれらの構成要因の間にはお互いに力が働いているので、完全に何もないとはいえないかもしれません。

補足

早速のお返事、ありがとうございます。
幼い頃からの幼稚な疑問なもので、あまりにあっさりと答えられると少々釈然としないのでもう少し付け足しても良いでしょうか？　申し訳ありません。
現代の科学で「未確認」という事なのでしょうか？それとも結びつくための、なにかエネルギーのようなものがあってそれは物質とは呼べないと言うことなのでしょうか？
実は、一番知りたいのがそこでして、「何もない部分がある」と言うことなのか「何もないほど密着している」のかといったあたりの解釈なのですが。