物質はどのように構成されているのでしょうか?物質は無限に分割できるのでしょうか？

物質を半分に切ると、物質は 2 つになります。片方を切り取ってさらに半分に切ると、また 2 つに分けることができます。これを続けると無限に分割し続けることができますか？

これは興味深い質問です。小学校の頃から同じような疑問を抱いたことがある人は多いでしょう。それは古い質問でもあります。同様の質問の記録は、2,800年以上前の古代ギリシャにまで遡ることができます。もちろん、当時はまだ科学は生まれていなかったので、人々はこの問題を哲学的なレベルからしか考えることができませんでした。人々はこの疑問に答えることで、万物の起源を探求したいと考えました。ピタゴラスやタレスなど、私たちがよく知っている古代ギリシャの学者たちは、この問題について独自の見解を表明しました。その中で、デモクリトスの見解は現代科学に最も近い。彼は、物質は無限に分割することはできず、世界には「最小の物質」が存在すると信じている。

デモクリトスは「最小の実体」という概念を提唱したが、彼の言ったことは哲学的なレベルに留まった。近代科学が誕生する前の時代、彼には「最小の物質」が何であるかを答える方法がなかった。今、答えは出ました。

私たちの身の回りにあるテーブルや椅子、ベンチ、電気機器、窓の外にある岩や木、橋、流れる水、さらには広大な宇宙にあるさまざまな天体など、世界はさまざまな物質で構成されています。それらはすべて物質です。これらの巨視的な物質は分割することができ、単一の分子に分割されるまで何度も分割することができます。ほとんどの物質は分子で構成されており、多くの物質は直接原子で構成されています。水を例に挙げると、それは水分子で構成されています。

水分子は非常に小さいです。一般的に、約 0.05 ml の水滴には約 100 兆個の水分子が含まれています。

水分子は非常に小さいですが、物質の最も基本的な形態ではありません。水分子をさらに分解すると、水分子は 2 つの水素原子と 1 つの酸素原子で構成されていることがわかります。酸素は私たちにとってより身近なガスです。なぜなら、私たちは常に呼吸しなければならず、呼吸は酸素と切り離せないものであり、酸素分子は 2 つの酸素原子から構成されているからです。では、酸素原子は物質の最小単位なのでしょうか?まだだ。酸素原子をさらに分解すると、酸素原子には原子核と 8 個の原子核外電子という 2 つの基本構成要素が含まれていることがわかります。分割し続けても大丈夫でしょうか？できる。

原子核を開くと、陽子と中性子が含まれていることがわかります。酸素原子核を例にとると、そこには 8 個の陽子と 8 個の中性子が含まれています。

今回はもう終わりですよね？確かに、科学者たちは当初、陽子と中性子は分離できないと信じていましたが、後に科学者たちは、陽子と中性子に高速粒子を衝突させたら何が起こるのかと考えました。科学者が実際にこれを行ったところ、衝突した陽子と中性子は3つの異なる角度で偏向されることが分かりました。これは、陽子と中性子の内部に何か他のものが存在することを意味し、陽子と中性子は依然として分割可能であるということです。では、陽子と中性子よりも小さいものは何でしょうか?それはクォークです。今度は分割できなくなり、クォークは物質の最小単位となるため、「素粒子」とも呼ばれます。

もちろん、世の中には複数の種類の基本粒子が存在します。原子核の外側にある電子も分割できない基本粒子であり、これ以外にも多くの基本粒子が存在します。そこで、物質を構成するすべての基本粒子を説明できる理論が生まれ、それは「標準モデル」と呼ばれています。

標準モデルによれば、知られている素粒子は 61 個あり、フェルミオンとボソンの 2 種類に分類できます。世の中のすべての物質は、この素粒子からできていると言えます。では、フェルミオンとボソンは物質の構成においてどのような役割を果たすのでしょうか?フェルミオンは物質を構成する最小の単位で、先ほど述べた電子やクォークなどが含まれます。興味深いことに、マクロの世界の物質であれ、分子や原子であれ、物質には質量がありますが、素粒子には質量がありません。

質量のない素粒子はどのようにして質量のある物質を形成するのでしょうか?ここでボソンが登場します。

ボソンには、光子、グルーオン、W ボソン、Z ボソン、ヒッグス ボソンが含まれます。ボソンも基本粒子であり、当然質量はありませんが、ボソンは物質の構成において「接着剤」として機能します。それらの主な機能は「相互作用を伝達する」ことであり、粒子間の相互作用によって物質に質量が与えられます。たとえば、複数のクォークがグルーオンの結合効果によって陽子を形成すると、陽子は質量を持ちます。今日世界で知られているすべての物質はこのように構成されています。物質は無限に分割することはできず、物質の最小単位である素粒子は分割できないことがわかります。

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