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吉田伸夫

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素粒子論はなぜわかりにくいのか (知の扉) 単行本（ソフトカバー） – 2013/12/5

吉田伸夫 (著)

55

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ついに、あなたの素粒子に対するイメージが具体的になる!
ヒッグス粒子発見のニュースで興味をもった方にもおすすめ!

素粒子の「やさしい解説」を何度聞いても、どうにも腑に落ちない…。
それもそのはず、多くの人は、素粒子論を理解するためには避けて通れない
「場」の考え方について、ほとんど学ぶ機会がないからだ。

素朴な“粒子"のイメージから脱却し、現代物理学の物質観に目覚める、
今度こそわかりたいあなたのための素粒子入門。

【目次】
第1章素“粒子"という虚構
第2章場と原子
第3章流転する素粒子
第4章素粒子の標準模型
第5章摂動法と繰り込み
第6章何が究極理論を阻むのか
付録素粒子の計算にチャレンジ

【著者プロフィール】
東京大学理学部物理学専門課程修了。素粒子論(量子色力学)で東京大学から博士号取得。
著書には、『宇宙に果てはあるか』(新潮社)、『明解量子重力理論入門』(講談社)、
『日本人とナノエレクトロニクス』(技術評論社)などがある。

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本の長さ

208ページ
言語

日本語
出版社

技術評論社
発売日

2013/12/5
寸法

13.2 x 1.4 x 19 cm
ISBN-10

4774161314
ISBN-13

978-4774161310
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商品の説明

出版社からのコメント

(まえがきより)
2013年のノーベル物理学賞は、クォークや電子などの素粒子が質量を持つメカニズムを、
半世紀以上も前に理論的に解明したヒッグスとアングレールに贈られた。前年に、このメ
カニズムから予想される粒子(いわゆるヒッグス粒子)の存在が確認され、「素粒子の標
準模型」が一応の完成を見たとされるだけに、素粒子論の専門家にとっては、すっきりす
る授賞だったろう。

しかし、すっきりしないのが、専門家以外の人たちである。ヒッグス粒子の発見以来、
素粒子に関する一般向けの解説書がいろいろと出版されたものの、その内容がきちんと理
解できる人は、あまり多くないはずだ。こうした解説書を執筆する物理学者は、最先端研
究の華やかな部分を中心に紹介しがちだが、素粒子の標準模型は、長い年月にわたる理論
的発展の最終段階であり、これを理解するには、前提となるさまざまな知識が必要となる
からである。

標準模型を理解するのに必要な知識には、場の量子論・ゲージ対称性とその破れ・摂動
法・繰り込みなどがあり、いずれも、物理学専攻の学生を対象として、大学3、4年次から
大学院で教えられる内容である。数式を使わずに説明するのはほとんど困難で、多くの解
説書は、名称に言及することはあっても、内容にまで踏み込まない。しかし、こうした知
識は、素粒子論の全体像を把握する上で不可欠であり、これなしには、そもそも「素粒子
とは何か」についての基本的な理解すら得られない。

本書は、できるだけ数式を用いず、具体的なイメージに基づいて場の量子論やゲージ対
称性についての解説を行い、一般の人にも「素粒子とは何か」を理解してもらおうという
試みである。厳格な物理学者は、数式こそが物理法則を記述する唯一の言語であり、数式
を使わない説明は粗雑なアナロジーにすぎないと批判するかもしれない。だが、素粒子論
を理解するための第1歩としては、こうした試みも必要ではないだろうか。吉田伸夫

著者について

東京大学理学部物理学専門課程修了。素粒子論(量子色力学)で東京大学から博士号取得。
著書には、『宇宙に果てはあるか』(新潮社)、『明解量子重力理論入門』(講談社)、
『日本人とナノエレクトロニクス』(技術評論社)などがある。

登録情報

出版社 ‏ : ‎ 技術評論社 (2013/12/5)
発売日 ‏ : ‎ 2013/12/5
言語 ‏ : ‎ 日本語
単行本（ソフトカバー） ‏ : ‎ 208ページ
ISBN-10 ‏ : ‎ 4774161314
ISBN-13 ‏ : ‎ 978-4774161310
寸法 ‏ : ‎ 13.2 x 1.4 x 19 cm

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吉田伸夫

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はっぱ

面白い本ですよ

2024年4月4日に日本でレビュー済み

Amazonで購入

少し難しいかな？
0の人がいきなり読んで理解出来るとは限りませんが、何が言いたいのかは分かるかなと。
あと、意味を詳しく理解できなくても、一つ一つの意味をただ暗記するだけでも初めて勉強する時の役に立つと思います。

2018年3月9日に日本でレビュー済み

Amazonで購入

「量子論を楽しむ本」で量子論のわけのわからなさを実感し、「量子論はなぜわかりにくいのか」に手が伸びた。そうしたら場の量子論へといざなわれて「光の場、電子の海」を読んだら必然的に素粒子論へといざなわれ、本書に自動的に誘導された感じ。
「量子論はなぜわかりにくいのか」を読んでいたので、本書も同じようなイメージ（分かった気になるけど本質的には分かってない）でのぞんだら、想像どおり素粒子論が分かった気になれた。きっと分かってないと思うけど。
数式などを使わず、完全な素人にここまで分かった気にさせる著者の力には感服させられる。
自分のように、量子論～場の量子論を一通り通過してきた人には非常に読みやすい内容と思う。
が、量子論について全く知識のない人がいきなりこの素粒子論から読んでも、おそらく理解不能だろうと思う。

16人のお客様がこれが役に立ったと考えています

役に立った

Hirofumi

基本と、その先への期待。

2020年9月14日に日本でレビュー済み

Amazonで購入

まず、タイトルの「素粒子論はなぜわかりにくいのか」は、この本の性格を表していないと思います。総合的な解説書であると思う。解釈や表現、骨格は正確で、信頼性が高い。更に、この先に進みたい！と思わせる魅力を感じました。現在、一段階ランク・アップした参考書を読んでいるところです。分からなくなった時に、この本に戻りますし、いずれ復習したいと思っています。

2人のお客様がこれが役に立ったと考えています

役に立った

iKaz888

場の量子論のイメージが持てるようになる本

2014年7月21日に日本でレビュー済み

Amazonで購入

なぜわかりにくいのか → 現代物理の基礎となっている「場」を説明していないから。
・していないというより、今までできる人が居なかったというのが正しいと思う。
・著者は、これに成功した初めての人だと思う。（経路積分による量子化手法で）
・原子論的な世界観から、場という世界観に大きく転換があった・・・というのを初めて認識した。これが、私にとってはこの本での一番の驚きであった。頭の中が、「原子と場の二元論で足踏み」と、正にその状態であった。この歳になって、自然観が覆されるとは、すごい快感だった。

場とその量子論のイメージ（バネ）を基に、次のことをわかりやすく説明している。
１）「素粒子」は「粒子」ではない。（原子論的な意味での）
　　場が実体であり、粒子的な特徴は、相互作用がほとんど無い場合、およびフェルミオンの量子論的特性から現れる。
２）「力は粒子を交換することによって生じる」というよく見る説明は、摂動計算を言葉にしただけであり、中間子の場合は、良い近似にはなっていない。
　　結合状態を、この粒子的イメージでとらえることはできない。
３）質量エネルギー
４）素粒子が別の素粒子に変化するしくみ・内部空間での振動方向
５）ゲージ原理・標準模型・対称性の破れ・ヒッグス場
６）摂動・ファインマン図・仮想粒子・光電効果・繰りこみ・有効理論
７）標準模型の拡張・量子重力理論の候補（ループ量子重力理論、超弦理論）
メインテーマ以外では、繰りこみとその重力理論での破綻、ブレイン宇宙論の説明が秀逸。

次のような人には超お勧めです。
・量子力学や素粒子の本を読んでみて、モヤモヤ感がぬぐえない人。
・場の量子論を俯瞰して俯瞰して把握したい人
・現代物理の自然観・世界観に興味がある人
・ヒッグス粒子、超弦理論などに興味がある人
私にとっては、ものすごく読みやすく、興奮のうちに読み終えた優れものでした。

27人のお客様がこれが役に立ったと考えています

役に立った

cebaux

着眼点・主張は優れているけれど書として成功してるとは言い難い

2014年5月22日に日本でレビュー済み

Amazonで購入

【ネタバレ】
素粒子は振動である。物理学者は普段、数式で考えているから問題にはしないが、一般に説明するとき、まるで粒子であるかのような説明や安直な図を使うから誤解される。だからといって「粒子でもあり波でもある」などという玉虫色の説明をしても、一般の人に理解できるわけがない・・・というのが筆者の冒頭の主張。

OK、なるほど・・そこは分かった。

だが、その後がいけない。「じゃあ何なのか」という解説に入ると、とたんに、前知識を押さえずいきなり詳細・具体解説にはいったり、しつこく繰り返したり、粒子になぞらえた説明の批判に立ち戻ったり・・・と、迷走をし始める。

冒頭の主張には、深くかつ強い思いがあったのだろうが、その勢いだけでは読者をうならせる書籍にはならない・・・という例をみた。

9人のお客様がこれが役に立ったと考えています

役に立った

Takuo Yasuoka

場の量子論が直観的に理解できる素晴らしい本

2014年6月29日に日本でレビュー済み

Amazonで購入

場の量子論が直観的に理解できる素晴らしい本です。
素粒子論とは場の量子論のことです。この本は、場の量子論を振動子の結合モデルで直観的にとてもわかりやすく説明しています。時代により素粒子物理学の解釈も変遷することにも触れられており教育的な良書だと思います。一日で一気に読めてしまいます。
以下は概要なのでわかりにくいかもしれませんが、実際の本文は説明がきちんとしており丁寧でとてもわかりやすく書かれています。
（概要）
ギリシャ時代から、アリストテレスの場の理論とデモクリトスの原子論の考えがあり、トリチェリーの真空の実験や、エーテルについての実験、アインシュタインの理論などにより、両者の考えは洗練されてきました。ハイゼンベルグやパウリが電子と光子の場の量子論を作りましたが、積分が発散してしまい、相手にされずにダメ理論と言われていた時代もあったそうです。湯川博士の中間子理論は陽子と中性子の間の相互作用をする中間子という「場」を考えたものでしたが、相互作用がないという条件でなければ観測は困難であり、中間子は粒子として観測されました。その後も、新しい素粒子が観測されるのは粒子状態であり、また、巨大な加速器実験に対する多額の費用のために一般向けに素粒子を粒子として説明することが多かったことなどにより、素粒子＝粒子という誤解が生まれたのではないか、と著者は言います。
粒子と波動の二重性については、ボーア流の相補性原理の立場、ドブロイ流の立場、この本の立場があるということです。
幾何光学を波動光学により重ね合わせで説明できるように、粒子と波動の二重性について、解析力学における最小作用の原理と量子力学における作用の重ね合わせであるファインマンの経路積分で説明して、振動子の定常状態でのエネルギーが粒子だと考えるのがこの本の立場です。
場については個々の振動子がバネで結合されているモデルで考えています。場における波束のエネルギーが粒子と考えられます。
素粒子は粒子ではなく、内部空間（振動子の空間）における波が外部空間（時空）を伝わっていくものとして考えています。
これらの考え方から、中間子の質量が原子核内で減るように見えたり、対消滅で質量が保存されないことなどがわかるようになります。また、電荷の保存は文字通りの電荷の保存則ではなく、ゲージ対称性とネーターの定理から導かれるということにも触れられています。
ベータ崩壊でdクオークがW粒子の場にエネルギーを与えてuクオークに変わるのは内部空間における振動方向が変わるからであると考えることができます。フェルミオンは単独では生成消滅できない（時空のあるべき性質を変えてしまうため）こと及び電荷の保存を考えると、W粒子から電子が生成されるとスピンが逆向きであり電荷がゼロである反ニュートリノも対生成されます。これらが内部空間におけるSU(N)という対称性です。
SU（N）対称性を持つにもかかわらず、dクオークとuクオーク、電子とニュートリノの違いがあるのは対称性の破れで説明されます。
外部空間について、曲線座標で表した長さの式（ピタゴラスの定理の拡張）における係数により曲面の曲がり方が決められる（ガウス）のですが、その係数は場所と時間で異なるので「尺度（ゲージ）の場」として考えられます。ゲージ場により物理法則が変わらない（共変性）ことをゲージ対称性といいます。アインシュタインの重力理論がこれに当てはまります。内部空間においては、内部空間のねじれとしてのゲージ場を導入します。
標準模型とはSU(3)、SU(2)、U(1)という内部空間の対称性を持つ理論です。SU(3)ではクオークは青、緑、赤の３つの振動方向を持っています。SU(2)ではdクオークとuクオーク、電子とニュートリノがW粒子を介して変化します。SU(2)の内部空間でdクオークとuクオーク、電子とニュートリノの違いを生み出すのには対称性の破れが起きなければならず、ヒッグス場が導入されました。ヒッグス場が凝集することにより内部空間での振動方向が異なるようになり質量も生じたと考えます。
ニュートン力学や古典的電磁気学では、方程式の解を厳密に解いたり、そうでなければコンピュータを用いて計算ができるのですが、素粒子論の計算をコンピュータで行うと関数の値の変動が大き過ぎて積分の誤差が大きくなってしまいます。このため、素粒子論では摂動法による近似を手計算で行うことになるのです。
（厳密に解けないし、コンピューターでも計算できない、手計算で試行錯誤で築き上げていくという素粒子論には地味でとても人間的な面があるのです。）
摂動法とは、相互作用がない状態から相互作用を少しずつ入れていくという方法です。この章では、摂動法、ファインマン図、仮想粒子についての理解が深まります。有効理論と繰り込みについても説明されています。（『こんどこそわかる繰り込み理論』という本も数学的な基礎と物理学的な意味について繰り込みの理解を深めるのに役立つと思います）
最後の章では、繰り込みの手法を用いた有効理論である標準理論の課題について考察しています。課題としては、ヒッグス場の凝集、ニュートリノの質量、世代が生じる仕組み、超対称性について取り上げています。
アインシュタインの重力理論を量子化すると繰り込み可能でなくなってしまいます。金属疲労現象は有効理論である弾性理論で説明できず格子欠陥を考えなければならないことをたとえにして、量子重力理論には革新的な理論が必要とされるといいます。
特殊な対称性を導入した繰り込みの必要のない超重力理論は制限が厳しすぎます。
ループ量子重力理論では、ゲージ変換により変わる重力場の値の代わりにループ変数を利用して特殊な量子化を行うことにより時間や空間に最小の要素が現れて発散の問題が解消されますが、特殊な量子化の手法を正当化する確証がないようです。
超ひも理論には重力子が含まれ、10次元の時空を考えることになります。場の量子論を非摂動論的に扱うとモノポールのようなソリトンが存在する可能性が出てきますが、超ひも理論でも非摂動的にはブレインというソリトンが現れます。
標準理論は実験と理論が二人三脚でたくさんの英知が集まって練り上げられましたが、超ひも理論においては理論先行というまだまだ前途多難な状況だといいます。
素粒子の計算にチャレンジ、という付録もあります。

14人のお客様がこれが役に立ったと考えています

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松下重悳

素粒子論をユニークな観点と比喩で解説

2014年3月31日に日本でレビュー済み

Amazonで購入

　従来の素粒子理論の解説書が、「素粒子は粒子である」と読者を誤解させているために判り難くなっている、「素粒子は場＝Fieldの振動である」と理解すれば判り易くなる、という趣旨の本だ。素人としての私の正直な感想では、確かに判り易くなった部分がある反面、別の難しさが出て来て、判り易さの点では功罪半ばという感じだ。しかし従来の解説書とは異なる観点からの解説のおかげで、色々新しいことの理解が進んだ。

　電界と磁界は理科で習うが、このような場=Fieldの概念が他ではあまり出て来ない。だから素粒子の解説書は場の議論を避けて「素粒子は粒子」という立場で解説するのであろう。本書はバネを使った模型で場の概念を読者に伝えようとしている。「素粒子は場の振動」とすることで、Down QuarkがUp Quarkに変わるのはQuark場の振動モードが変わっただけだと、ベータ崩壊の説明は確かに容易になる。一方で或る種の金属に光を当てると光子のエネルギーを吸収した電子が飛び出すという光電現象の説明には、光子も電子も粒子と考えた方が容易だ。本書では光という電磁波（光子の場の波動）が電子の場にエネルギーを与え、電子という粒子に似た波動が起こるとする。場の波動が伝搬しエネルギー量子が移動する時に、そのエネルギー量子が粒子に例えられるとする。これはかなり素人にはイメージを描き難い。

　本書は、Higgs場の振動としてのHiggs粒子と、それが素粒子に質量を与えるメカニズムに言及している。また場のGaugeの概念を説明し、場の歪がGaugeを変化させ、それを介して素粒子に力が及ぶとしている。仮想粒子や繰り込みのユニークな説明があり、統一理論として期待されている超ひも理論への言及に至っている。

　こういう解説書の常としてやや手強い内容だが、工夫された比喩によって読者の理解を得る努力が顕著であり、この分野に興味を持つ読者には大変面白い書であると思う。

16人のお客様がこれが役に立ったと考えています

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Amazon Customer

数式を使わない解説書としては抜群

2014年1月21日に日本でレビュー済み

Amazonで購入

珍妙な比喩を使わず説明が一貫して秩序だっているため納得感が得られる。

「場」を基本的な説明原理として、場の振動、場のねじれの伝播の量子的な現れとして素粒子を位置づけ、その場での場の振動の観点から質量とエネルギー、またヒッグス場の役割を位置づけ、一般的な解説書にある「素粒子の交換による力の伝播」を摂動法の観点から明確に解説している。一貫しているために極めて判りやすい。

納得感を持った後で、今まで読んだ様々な解説書は、その時代の物理観や素人向けの一貫性の無い比喩のために困難しているのであることもよく理解出来る。

ただ、基本的な量子力学の前提を把握していることが納得感の前提にはなると思われる。

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