物質と反物質の間に働く重力

質問

物質と反物質の間に働く重力は、引力であるか、斥力であるかという命題は、理論的にも実験的にも確定していない命題だと認識しています。（当然引力であるという主張のほうが多いのは事実ですが）

最近、CERNでの実験で、反水素の1000秒程度の閉じ込めに成功したという発表がありました。
これによって、上記の命題に結論が出る可能性は、大きく上がったと考えることはできるのでしょうか。それとも、まだまだ実験的には難しいと考えられますか？

回答No.3

kagakusuki · ベストアンサー

>同じ方向にゆがんだ２つの時空は、測地線を共有するように近づいていきますが、異る方向にゆがんだ時空は、測地線を共有することができないので離れていく、と考えています。

　すみません、仰る事が良く判らないのですが、「２つの時空」とは何を指しておられるのでしょうか？
　ANo.1及び2の歪んだ時空の測地線に関して述べている部分で、私が想定しているのは、地球や太陽の様な天体が持つ巨大な質量によって歪められた時空の中を、小惑星クラス未満の、それ自身の質量による時空の歪みが無視出来る程度の質量しか持たない物体が、運動する場合の話です。
　この場合、時空の歪みを生み出しているのは、単一の天体の質量と見做す事が出来ますから、運動する物体が正物質と反物質のどちらで出来ているのかには関わらず、測地線が変化する事はあり得ないという事を申し上げている訳です。
　それとももしかしますと、「２つの時空」と仰っておられるという事は、質問者様は物質と反物質は互いに異なる別の宇宙に存在していると御考えなのでしょうか？
　或いは、太陽の側を水素原子が通過する際と、反水素原子が通過する際では、惑星間空間レベルの広大な領域に渡って、太陽の周囲の時空の曲がり方が変化すると御考えなのでしょうか？
　もしその様に御考えになられているとしますと、電子と陽電子が電気的に結びついて、原子の様な状態（エキゾチック原子）を形成している、ポジトロニウム等の様に、物質と反物質が近接している場合等では、その周囲の時空の曲がり方はどのようになっていると御考えになられているのでしょうか？（因みに、陽子と反陽子が二重星の様に互いの周囲を回るプロトニウムというエキゾチック原子も存在します）

>あるいは、測地線を共有するためには時間反転させなければならないとも考えられます。

　ここで問題となっているのは、正物質の質量によって生じた歪んだ時空（即ち、正物質による重力場）の中を移動する際に、反物質の描く軌跡と正物質が描く軌跡が、互いに逆方向に曲がっているのか否かという事であり、巨大な正物質の近くに巨大な反物質が存在している場合において、その時空の測地線がどうなっていて、そこを通過する小物体（正物質なのか反物質なのかは不明）がどの様な軌跡を描くのかでは御座いません。
　時空の歪みの原因になっているのは、巨大な正物質の質量のみと見做す事が出来ますから、測地線を共有するか否かを考慮する必要はないと考えます。
　又、時間を反転させたとしても、時空の曲がり方がすり鉢形から変わる訳では御座いませんから、測地線の形状も変化しないと思います。

>ブラックホールと思われる天体から放出されるジェットのエネルギーが対消滅によって生まれる可能性は否定できませんし、

　いえ、私が申し上げたのは、双極ジェットの事ではなく、（反物質に働く重力が斥力だと仮定した場合には）ブラックホールに光が当たりさえすれば、物質が流れ込まなくとも、莫大な量の反物質が放出されなければならないという事です。
　双極ジェットは降着円盤の回転軸にほぼ平行に放出される物質流ですが、ブラックホールの周囲に降着円盤が形成されている場合には、降着円盤が発する光により、ブラックホールの事象の地平面が受ける光の強度は、降着円盤の回転面に近い部分が最も強く、回転軸に近づくに従って受ける光は弱くなります。
　従って、降着円盤を持つブラックホールの場合は、降着円盤の直下の事象の地平面の辺りが最も強く輝き、回転軸に近づくほど光が弱くなっている様に見える筈です。
　又、降着円盤は形成されない程の距離を隔てながら、恒星と連星系を形成しているブラックホールの場合には、双極ジェットではなく、恒星が発した光を受けた側の面からだけ、反物質が放出される筈です。
　どちらの場合であっても、ブラックホールの表面から放出される反物質粒子は、周囲の星間物質と対消滅反応を起こして、個々の反物質粒子の持つ質量に応じた特定波長の電磁波を発しますから、反物質粒子の流れが存在する範囲の領域の宇宙空間からは、その特定波長の電磁波の強い放射が観測される筈です。
　しかし現実には、ブラックホール自体が強く発光していたり、ブラックホールの周囲の広大な空間から、陽電子や反陽子が物質と対消滅を起こす際の、特定波長の電磁波の放射によって、強く輝いているという話は聞いた事が御座いません。
　広大な領域の空間が特定の波長で輝いていれば、観測する事は容易ですから、その様な現象が広く知られていないという事は、重力によって青方偏移した光子から、対生成した反粒子（と粒子）は、重力によって弾き出されたりする事はなく、重力に引かれてブラックホール内に落ちて行ってしまうものと考えられます。
　従って、反物質に働く重力は引力であると考えられると思います。

>反水素を地球上でポトンと落として、下に落ちれば、反物質が反重力をもつという主張は簡単に排除できるわけです。

　その実験を行っても、結論を出す事は難しいのではないかと思います。
　CERNでの実験で、電気的には中性である筈の反水素を閉じ込める事が出来たのは、閉じ込め対象となっている原子の周囲を、奇数個の荷電粒子が回っている事により、その原子が磁石としての性質を持っているためです。

【参考URL】
　理化学研究所 > プレスリリース > 2011年 > 基底状態の冷反水素原子の閉じ込め時間、1,000秒以上に！
　　http://www.riken.go.jp/r-world/info/release/press/2011/110606_2/detail.html

　理化学研究所 > プレスリリース > 2010年 > 動きがのろい冷反水素原子を38個も磁気瓶に閉じ込める！
　　http://www.riken.go.jp/r-world/info/release/press/2010/101118/detail.html

　これが反水素原子が結合して、反水素分子になりますと、2つの反水素原子の磁石の向きが、互いに反対向きになった時には、閉じ込めている場所からは逃げてしまう可能性が高いと思います。
　又、生成する事が出来た反水素原子の個数は、気体としての圧力が現れない程の僅かな数に過ぎませんから、真空に近い極めて低圧の状態である事から、その反水素は固体や液体にはなりません。
　つまり、それらの反水素は、個々の原子がばらばらの状態で存在している事になります。
　塊になっていないという事は、反水素原子のエネルギーが高ければ、熱運動によって不規則な方向に飛んで行ってしまいます。
　又、エネルギーが低くなれば、低くなる程、量子力学の不確定性原理の効果が表れて、反水素原子の位置や速度が定まらない事になり、重力の影響には関わらず、実験室の様な限られた空間内においては、どの方向にも移動し得るという事になるのではないかと思います。

【参考URL】
　Albert Einstein's science and life > ContentsI> 量子論：影響の相関図 > ［次ページへ］ > ［次ページへ］ > ［次ページへ］ > ［次ページへ］ > ［次ページへ］ > ［次ページへ］ > ［次ページへ］ > ［次ページへ］ > ［次ページへ］ > ［次ページへ］ > 量子現象のいろいろ --- 定常状態、ゼロ点振動と不確定性原理、トンネル効果、真空の揺らぎ
　　http://homepage2.nifty.com/einstein/contents/relativity/contents/relativity3060.html

　零点振動 - Wikipedia
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%B6%E7%82%B9%E6%8C%AF%E5%8B%95

　いずれにしましても、ANo.1で述べました様に、私は

>物質と反物質の間に働く重力は、引力であるか、斥力であるかという命題

には、既に結論が出ている事を信じておりますので、その様なエネルギー、労力、その実験専用の新たな装置、等々を要する、

>反水素を地球上でポトンと落として

という大変な実験を、他の多くの研究を遅らせてまで行う事は、「簡単」とはほど遠いものだと思いますし、行う必要性があるか否かに関しましても、非常に疑問に思います。

お礼

たびたびの回答ありがとうございました。

＞2つの時空とは・・・

おっしゃるとおり、片方の質量が無視できない時の場合のことを意味します。
一般相対論のアインシュタイン方程式の厳密解には、形式上正負の複数解が存在しますが、正の解が示すのが物質で、負の解が示すのが反物質と解釈できないかという考えです。

シュワルツシルト解における、ホワイトホールのように、数学的に存在しても物理学的には存在しないとされれば、それまでです。

愚説に付き合っていただき、いくつものわかりやすい解説、ご意見いただきまして、感謝いたします。

回答No.2

kagakusuki

回答番号ANo.1です。

>下方ではなく上方にゴムがゆがむことを、一般相対性理論は否定しません。
>この相反する二つのゆがみをもつ物体には反重力が働くという解釈は可能です。（他の解釈も可能です）
>光はどちらの場合でも、測地線に沿って進むので、同じように中心に曲げられたように観測されます。

　はい、私は重力の源が反物質である場合に関して述べている訳では御座いません。
　光がどちらの場合でも測地線に沿って進むという事は、正物質の質量によって発生した重力場によっても、正粒子であると同時に反粒子でもある光子が、見かけ上の引力を受けるというになり、重力が引力である事は、正物質であるか反物質であるのかという事には影響されない、という事を述べている訳です。
　そして、重力とは、力ではなく、時空の歪みによって測地線が直線から外れて見える事による現象なのですから、正物質の質量によって生じた歪んだ時空において、正物質が通過する時と反物質が通過する時とで、測地線が大幅に変化するとは考えられませんから、反物質もまた、正物質と同様の軌道を描いて重力源の側を通過する筈ですから、即ち、重力という見かけの力は反物質にも引力として働いていると見做せると思います。

>正確にはE^2=m^2c^4なのでE=±mc^2となります。

　その式は重力が存在していない時空において成り立つ、特殊相対性理論に基づく式なのですから、式中のmは、重力質量ではなく、慣性質量の事を表しています。
　もし、仰る様にE=±mc^2という式が成り立っているとした場合には、それは負の慣性質量が有り得る事を表しています。
　そして、

>慣性質量＝｜重力質量｜（重力質量の絶対値）であれば、相対論は破綻しません。

という話が事実であれば、負の慣性質量を持つ物体の重力質量は虚数となりますから、負の慣性質量を持つ物体に働く重力は、引力でも斥力でもないという事になります。
　しかし、重力が歪んだ空間の測地線であるという観点から考えると、反物質の軌道は重力によって曲げられる筈です。
　ですから、やはり反物質の慣性質量は、正の値を取っているという事になります。
　そして、正の慣性質量を持っている反物質が、正物質と同様に、測地線に沿って運動するという事は、即ち、反物質もまた、正物質と同様に正の重力質量を持ち、それに対する重力の働きは引力となる事を示しています。

>反重力をもつ物質は、決してブラックホールに進入することはできません。

　その通りだと思います。
　だからこそ、反物質は反重力を持ってはいない事になります。
　光子がブラックホールに落ちて行く際には、重力による青方偏移によって、エネルギーが増加します。
　光子がブラックホールの事象の地平面に達する際には、無限大のエネルギーを持つ事になると思われます。
　そして、光子が持つエネルギーがある程度以上高くなれば、正粒子と反粒子の対生成が発生します。
　ブラックホールの中でも降着円盤を持つものには、莫大な量の光子が降り注いでいますから、事象の地平面の少し外側の領域では、莫大な量の正粒子と反粒子の対生成が起きている筈です。
　もし、反物質に働く重力が斥力になるとした場合には、ブラックホールの近傍で対発生し続た反粒子は、強大な重力を受けて、光速に近い速度でブラックホールの側から弾き出される筈です。
　光速に近い速度で放出された莫大な反粒子は、ブラックホールの周囲の物質と対消滅反応を起こして大量の光子を生成しますし、対生成によって作られる反粒子は、陽電子や反陽子の様な寿命の長いものだけではありませんから、寿命を迎えた反粒子が崩壊する際に放出された光子も加わり、ブラックホールは極端に明るく輝く天体となる筈です。
　例え、降着円盤が無いブラックホールであっても、近くに明るい光源が存在してれば、その光に照らされた側から、莫大な量の反粒子が放出される筈です。
　しかし、現実にはその様な現象は観測されてはおりません。
　従って、現実に見つかっているブラックホール、（或いは、見かけはブラックホールに見える、脱出速度が光速に極めて近い天体）が、ホーキング放射や降着円盤の摩擦等では説明不能なほど明るく輝いていない以上、反物質に働く重力は斥力ではないと言えます。

お礼

再度ご回答いただき、ありがとうございます。
おっしゃっていることは正しく、よく理解できます。否定するつもりはないのですが、別の可能性があるといいたいのです。

＞そして、重力とは、力ではなく、時空のゆがみで測地線が直線から外れてみえる事・・・

同じ方向にゆがんだ２つの時空は、測地線を共有するように近づいていきますが、異る方向にゆがんだ時空は、測地線を共有することができないので離れていく、と考えています。あるいは、測地線を共有するためには時間反転させなければならないとも考えられます。

＞その式は重力が存在していない時空において成り立つ、特殊相対性理論・・・

逆に、特殊相対性理論は、慣性系、すなわち加速度がない系で成り立つ理論です。物体を加速しない限り慣性質量は定義できません。
と、ここまで書いてきて、かといってこのｍが重力質量を示すことを自分では説明できないことがわかりました。本質的にはどちらなのでしょう？これはまた別の疑問として、ゆっくり考察してみようと思います。

＞慣性質量＝｜重力質量｜（重力質量の絶対値）について

等価原理を説明する際、外部が見えない箱の中の観察者が、箱の中の物体の質量を測ったとき、観察者にはこの質量が箱が上方に加速しているために生じているのか、下方に重力源があるために生じているのか見分けがつかない、ということはご存知だと思います。このとき、反重力があると仮定したなら、上方に反重力源があるために質量が生じている可能性がありうることを、考えていただければわかると思います。

＞光子がブラックホールに落ちていく際には・・・

全く同意します。ただし、ブラックホールと思われる天体から放出されるジェットのエネルギーが対消滅によって生まれる可能性は否定できませんし、ある事象が発見されないことによって否定することはむずかしいことだと思います。
そこで、最初の質問にもどるわけです。反水素を地球上でポトンと落として、下に落ちれば、反物質が反重力をもつという主張は簡単に排除できるわけです。
この実験が、まだまだ技術的に難しいのか、あるいは考慮さえされていないのかが知りたいのです。

１０年ほど前に東大で反水素の閉じ込めに成功した際には、この実験を考慮していたのを、この研究室のHPで読んだ記憶があります。（あいまいですいません）

回答No.1

kagakusuki

反物質に働く重力は引力です。
　反物質の質量は正の値を持っている事は、陽電子や反陽子を調べる事で判明しています。
　ニュートンの万有引力の法則の公式では、正の質量を持つ質点同士の間に働く力は引力となります。
　アインシュタインの一般相対性理論では、重力とは力ではなく、空間の歪みによって生じる見かけの力ですから、重力によって加速される方向が、物質と反物質で異なる筈はありません。
　実際、光子は、それ自体が粒子であると共に反粒子でもあるという特殊な粒子ですが、太陽の側を通過した光の進路が、太陽に引き寄せられる様に曲げられる事が確認されています。
　もし、粒子と反粒子に働く重力の向きが異なるのであれば、重力場内を通過する光は、直進するか、或いは2方向に曲げられて、光源が2重になって見えるかのどちらかになる筈です。
　陽子と反陽子を衝突させるタイプの円形加速器では、磁場によって内向きの力を反陽子に対して加えていますが、一般相対性理論では重力と慣性力は同じものとしていますから、反物質に加わる重力が斥力になるのであれば、加速器のリングを回る反陽子には、磁力とは逆に外向きの重力が加わっている事になり、円の外側へ向かって、進路が曲がるのではないかと思います。
　又、ブラックホールは物質でも反物質でも光でも飲み込むと、ブラックホールの持つエネルギーは増えますが、エネルギーが増えるという事は、即ち質量が増すという事であり、質量が増せば重力も増す事になります。
　この事からも解る様に、反物質を飲み込んだブラックホールも、物質に及ぼす重力は引力である事から、物質と反物質との間に働く重力も引力となる筈です。
　それに、反物質に対して、重力が斥力になるのでしたら、一般相対性理論では重力と慣性力は等価なのですから、重力が斥力になるのであれば、静止している状態の反物質に力を加えて動かそうとすると、慣性によって反物質に働く力は、反物質を更に加速させるように働きますから、反物質は静止する事が出来ず、どんどん加速を続ける事になり、光速に近づいて質量が増大すればするほど、慣性力も増大するため加速力も増大し、光速を超えてしまい、宇宙にたった1個でも陽電子が存在すれば、その質量は無限大を超える事になる筈ですが、実際にはそうなってはいません。

　従って、物質と反物質の間に働く重力は、引力であるか、斥力であるかという命題は、理論的にも実験的にも、引力であるという結論が、既に確定しています。

お礼

回答ありがとうございます。
質問の本意ではないのですが、質問自体が成り立たなくなってしまうので、反証させていただきます。

＞空間のゆがみ
空間を２次元に簡略化して、平面状のゴムの上に鉄球を乗せ、下方に沈むことで空間のゆがみをあらわすことがあります。このとき、下方ではなく上方にゴムがゆがむことを、一般相対性理論は否定しません。
この相反する二つのゆがみをもつ物体には反重力が働くという解釈は可能です。（他の解釈も可能です）
光はどちらの場合でも、測地線に沿って進むので、同じように中心に曲げられたように観測されます。

＞円形加速器の実験事実
これは、粒子と反粒子の慣性質量が等しいことを示しているだけで、重力質量には無関係です。

＞等価原理
慣性質量＝｜重力質量｜（重力質量の絶対値）であれば、相対論は破綻しません。

＞ブラックホール
反重力をもつ物質は、決してブラックホールに進入することはできません。

さらに、反物質が反重力をもつとすると、物質の集まったものがブラックホール、反物質の集まりがホワイトホールという解釈も可能になります。(ただし、光はどちらからも脱出できないのでホワイトではなくなりますが）

＞それに、反物質にたいして、重力が斥力になるのでしたら・・・・
ここは、重力質量が負のときエネルギーも負になるという解釈からの主張だと思われます。
有名なE=mc^2よりmが負の値ならば、Eも負の値になると考えられがちですが、正確にはE^2=m^2c^4なのでE=±mc^2となります。エネルギーが常に正の値を持つことは可能です。

以上はあくまでも可能性を述べているだけですが、物質と反物質の間に働く重力は引力か斥力かは確定していないように思えます。
しかし、回答者様と同様の主張がやはり主流であると思えます。さらに実験で確かめようとすることすらないということでしょうか。