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2015年8月17日 (月)

ボゾンとフェルミオン ー「スピン」とは何かー

 素粒子を分類するための基準の一つに「スピン」という概念がある。私はこの概念を正確に理解しているわけではない。なにしろこういう時代だからネットで「素粒子 スピン」あたりの検索ワードで検索すると「わかりやすい」解説がいくらでも出てくる。しかし、それをいくら読んでも納得できたという実感は得られない。
 だからこれから語ることについて、「それはちょっと違う」という感想を持たれる方も多いだろう。だがそんなことは覚悟の上で、これまで語ってきた本ブログの戯言パラダイムに基づいて「スピン」とは何かについて一つの解釈を示そうと思う。

 素粒子論における「スピン」はそもそも我々が日常的にイメージするようなスピン(回転)とは異なるらしい。そもそも現行の素粒子論は、素粒子自体を幅のない「点」としているそうだから、それが「スピン」するというのもおかしな話ではある。「スピン」という名称を最初に使い始めた方々も、日常的な「スピン」をイメージしていたわけではなく、「スピンに似た性格を持つ動き」という程度の認識だったらしい。

 スピン(回転)とはどのような特徴をもつ動きだろうか。

 日常的なイメージから導かれるのは、まず周期をもつ動きという点である。
 また、スピンする物体、例えば回転する独楽を上から見れば、独楽はぐるぐる円を描きながら回り続けている。
 回転する独楽を横から見て、独楽の側面の一点を観察する。その一点は観察者から見て独楽の反対側に行った時も透けて見えると仮定する。するとその一点は、右に動き、左に動き、右に動き、左に動き、左右のふれを延々繰り返す。その動きをよく観察すると、右端の直前と左端の直前で一瞬動きが緩やかになり、それぞれの極で一瞬止まったようになる。そして中心部は最大のスピードで通過する。振り子の動きを真上から見たら同じように見えるはずだ。

 さて、次の図をご覧になっていただきたい。下のリンクをクリックして、リンク先のアニメーションもご覧になっていただきたい。

Bosonandfermion2

「ボゾンとフェルミオン」アニメーション(日本語)

 まず左のボゾンの動きを見ていただきたい。「球状の波」の下にあるベクトルは、左端を伸張限界、右端を収縮限界とした時の、「球状の波」の伸縮程度をイメージしたものだ。先に説明した、「独楽の側面の一点を横から見た動き」と全く同じである。
 右のフェルミオンの下のベクトルは、一つ前のブログ記事で説明したように、複数の「球状の波」が空間のリソースを奪い合った結果として収縮直前で振動するような動きになっている。(つまりフェルミオンは粒子に近い状態を保ち続けているわけだが)。

 さて、新しい「気づき」はここからだ。

 ボゾンとフェルミオンそれぞれについてネットその他で調べてみると、ボゾンは「整数倍のスピン」という特徴を持ち、フェルミオンは「半整数つまり1/2スピン」という特徴を持つらしい。
 ボゾンの整数倍のスピンは周期を持つスピン(回転)の特徴から容易にイメージ可能である。しかし、1/2スピンとは一体どのような状態を意味するのか?回転でありながらその1/2とは、そもそも回転といえるのかと。

 だが、上記のリンク先のアニメーションの右半分、フェルミオンのベクトルが、収縮限界直前で行きつ戻りつを繰り返す様子は、まさに回転の半分、1/2スピンを指し示しているのではないか。
 
 

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