https://madrid.hostmaster.org/articles/physics_before_the_standard_model/ja.html
19世紀末、物理学はほぼ完成したように見えました。ニュートンの運動法則と重力理論は2世紀以上にわたり揺るぎないものでした。マクスウェルの方程式は電気と磁気を単一の電磁場に統合しました。熱力学は熱、エンジン、エントロピーを説明しました。1890年代の自信に満ちた物理学者は、自然の基本原理が本質的に知られていると信じ、残されたのは細かな詳細を埋めるだけだと考えることもできました。
この雰囲気は、1900年にケルビン卿が物理学はほぼ完成しており、ただ「地平線にいくつかの雲があるだけ」と述べたことで有名に要約されました。皮肉にも、これらの雲が物理学を永遠に変える嵐を引き起こしたのです。
ニュートンの運動法則と万有引力は驚くほど強力でした。リンゴの落下と月の軌道を同じ式で説明しました。ハレー彗星の帰還を予測し、惑星の航行を導き、何世代もの科学者にインスピレーションを与えました。
しかし、すべてが完全に一致するわけではありませんでした。最も内側の惑星である水星の軌道は歳差運動を示し、太陽に最も近い点が毎回わずかにずれる現象が見られました。この現象のほとんどはニュートンの力学と他の惑星の重力効果で説明できましたが、1世紀あたり43秒角のしつこい超過が説明できませんでした。見えない惑星「バルカン」を提案する者もいましたが、望遠鏡はそのような天体を決して発見しませんでした。
この小さな異常は無視しやすかったが、ケルビンの雲の偽装の一つでした。ニュートンの瞬間的で絶対的な重力の概念に深い欠陥があることを示唆する小さな異常で、曲がった時空の初期のささやきでした。
もう一つの雲が熱と光の世界で生まれていました。黒体――すべての放射を吸収し再放射する理想化された物体――は温度に応じた特徴的なスペクトルで輝きます。古典物理学は、高周波数で放射される放射が無限に増加すると予測し、いわゆる「紫外線破局」を引き起こしました。つまり、熱いストーブは紫外線で無限のエネルギーを放つはずで、明らかに不条理です。
実験では、実際の黒体は有限で明確に定義されたスペクトルを放つことが示されました。ここでの古典物理学の失敗は明らかで、新たな原理なしでは修正できませんでした。
1900年、マックス・プランクはしぶしぶ大胆な解決策を提案しました。エネルギーは連続的ではなく、離散的なパケット――量子――で来ると仮定しました。彼は後にこう振り返りました。「私はある種の絶望に訴えなければならなかった、絶望的な行為だった。」この急進的なアイデアは量子論の誕生を象徴しましたが、プランク自身はそれを革命ではなくトリックと見なしていました。もう一つの雲が暗くなり、破裂を待っていました。
1905年、アルバート・アインシュタインは量子による古典物理学への打撃を深めました。長年波として理解されてきた光は、粒子のようにも振る舞うことができました。光電効果では、金属に当たる光が電子を放出します。古典理論では、放出された電子のエネルギーは光の強度に依存するとされていました。しかし、実験ではそれが周波数に依存することが示されました。輝度に関係なく、特定の閾値周波数以上の光だけが電子を放出できました。
アインシュタインは、光が後に光子と呼ばれるエネルギーパケットで来ると提案することでこれを説明しました。「光量子は文字通りに受け取る必要があるようだ」と彼は書きました。
この光の粒子観への衝撃的な回帰は彼にノーベル賞をもたらしました。さらに重要なのは、波-粒子二重性が単なる奇妙さではなく基本原理であることを示したことです。もう一つの雲が雷鳴を轟かせました。
1900年代初頭、原子は本物として受け入れられていましたが、その構造は謎でした。J.J.トムソンの「プラムプディングモデル」は、電子が拡散した正電荷に埋め込まれていると想像していました。しかし、1911年、アーネスト・ラザフォードの金箔実験はこのイメージを打ち砕きました。薄い金箔にアルファ粒子を撃ち込むと、ほとんどの粒子が通過しましたが、いくつかは鋭い角度で散乱しました。「まるで15インチの砲弾をティッシュペーパーに撃ち込んで、それが跳ね返ってくるようだ」とラザフォードは述べました。
結論：原子は小さな高密度の核を持ち、その周囲はほとんど空の空間で囲まれています。しかし、なぜ軌道を回る電子が核にらせん状に崩壊し、エネルギーを放射しないのか？古典的な電磁気学は答えを提供しませんでした。原子の安定性は謎であり、ケルビンのもう一つの雲が嵐へと膨らみました。
1910年までに、亀裂は無視できないほど大きくなっていました。古典物理学は以下を説明できませんでした：
小さな異常に見えたものは、より深い失敗の症状であることが判明しました。2つの10年間で、それらは2つの革命を導きました：一般相対性理論は重力と時空の幾何学を説明し、量子力学は微視的な世界を説明しました。
物理学は完成していませんでした。現実の奇妙で層状の構造を明らかにし始めたばかりでした。
20世紀初頭、古典物理学の亀裂は巨大な裂け目になっていました。黒体放射、光電効果、原子構造――これらのいずれもニュートンの力学やマクスウェルの電磁気学では説明できませんでした。物理学者たちはますます大胆なアイデアの連続を採用せざるを得ませんでした。その結果は小さな修正ではなく、現実の完全な再構築でした：量子力学。
1900年、マックス・プランクは黒体問題を解決しようとしました。古典物理学は高周波数で無限の放射を予測し、「紫外線破局」を引き起こしました。絶望の中で、プランクは大胆な数学的トリックを導入しました：エネルギーは連続的ではなく、離散的なパケットで、周波数に比例すると仮定しました：
\[ E = h\nu \]
簡単な説明：周波数 \(\nu\) の光線は、\(h\nu\) の大きさの塊でのみエネルギーを交換できます。より高い周波数の光はより大きなエネルギーの「塊」を運びます。
プランク自身はこれを実際的な解決策と見なし、急進的な変化とは考えませんでした。しかし、これは何世紀にもわたり物理学を定義してきた連続性の壁の最初の亀裂でした。
5年後、アインシュタインはプランクのアイデアを真剣に受け止めました。光電効果を説明するために、彼は光自体が量子――後に光子と呼ばれる――で構成されていると提案しました。
これは衝撃的でした。光はヤングの二重スリット実験以来、波として理解されてきました。しかし、アインシュタインは光が粒子のようにも振る舞えることを示しました。波-粒子二重性が誕生しました。
光電効果はアインシュタインに1921年のノーベル賞をもたらし、量子観の最初の決定的な勝利をマークしました――もう一つの雲が嵐に変わりました。
原子の構造は依然として謎でした。ラザフォードは核が存在することを示しましたが、なぜ軌道を回る電子が核に崩壊しないのか？
1913年、ニールス・ボーアは大胆な解決策を提案しました：電子は特定の離散的な軌道にのみ存在し、光量子を放出または吸収することでそれらの間をジャンプできます。彼のモデルは水素のスペクトル線を驚くべき精度で説明しました。
ボーアの原子は古典的な軌道と量子ルールの不快な混合でしたが、機能しました。量子化が単なるトリックではなく基本原理であることを示す手がかりでした。ボーアは冗談を言いました：「量子論にショックを受けない人はそれを理解していない。」ボーアにとって、ショックは注意を払っている証拠でした。
1924年、ルイ・ド・ブロイは二重性を逆転させました。光波が粒子のように振る舞えるなら、粒子も波のように振る舞えるかもしれない。彼は電子が波長を持ち、次の式で与えられると提案しました：
\[ \lambda = \frac{h}{p} \]
簡単な説明：運動量 \(p\) が大きい粒子はより短い波長を持ちます。速くて重い「弾丸」は遅くて軽いものよりも波のようには見えません。
このアイデアは1927年にダビソンとガーマーが結晶による電子の回折を観察したことで確認されました。物質は波状でした。波と粒子の間の壁は崩れました。
1925年、ヴェルナー・ハイゼンベルクは観測可能な量――測定可能な放射の周波数と強度――に固執する一貫した枠組みを求め、観測できない電子の軌道を描写しませんでした。結果は行列力学でした：乗算の順序が重要である新しい代数 (\(AB \neq BA\))。
この急進的な数学は電子の不連続なジャンプを捉え、驚異的な精度でスペクトルを予測しました。混乱しますか？はい。しかし、深く予測的でもありました。
ほぼ同時期に、エルヴィン・シュレーディンガーは物質の波が時間とともにどのように進化するかを記述する波動方程式を開発しました：
\[ i\hbar \frac{\partial}{\partial t} \Psi = \hat{H}\Psi \]
簡単な説明：波動関数 \(\Psi\) はシステムの確率を符号化し、ハミルトニアン \(\hat{H}\) はこれらの確率が時間とともにどのように変化するかを記述します。
シュレーディンガーのアプローチはハイゼンベルクの行列よりも直感的で、すぐに量子力学の標準言語となりました。当初、シュレーディンガーは電子が文字通り広がった波だと考えましたが、実験はそうではないことを示しました。波動関数は空間の物理的な波ではなく、確率振幅――新しい種類の現実でした。
1927年、ハイゼンベルクは衝撃的な結果を公式化しました：粒子の位置と運動量を同時に任意の精度で知ることはできません。この不確定性原理は測定装置の制限ではなく、自然の基本的な性質でした：
\[ \Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} \]
簡単な説明：位置をより正確に知れば、運動量はより不正確になり、逆もまた然り。自然自体がこの境界を引きます。
ニュートンの物理学の基礎である決定論は、確率に道を譲りました。
ボーアとハイゼンベルクは解釈を提供しました：量子力学は確定的な現実ではなく、測定結果の確率を記述します。測定の行為は波動関数を崩壊させます。
このコペンハーゲン解釈は実際的で成功しましたが、哲学的には不安を誘うものでした。アインシュタインは有名に反論しました――「神はサイコロを振らない」――しかし、実験は量子力学の確率的な性質を繰り返し確認しました。
1928年、ポール・ディラックは量子力学を特殊相対性理論と融合させ、ディラック方程式を生み出しました。それは前例のない精度で電子を記述し、新しい粒子――陽電子――を予測し、1932年に発見されました。ディラックの冷静な自信――「物理学の大部分と化学全体の数学的理論に必要な基本的な物理法則は完全に知られている」――は時代の野心を捉えました。
これは量子論が相対性理論と統一できる最初のヒントであり、量子場理論へと成長する約束でした。
1930年代までに、量子革命は完成しました：
古典物理学は破棄されませんでした。それは大きなスケールでの量子力学の限界として回収されました。これは現代物理学の最初の教訓でした：古い理論は決して「間違っている」わけではなく、単に不完全です。
しかし、どんなに輝かしい量子力学も、新たな挑戦に直面していました。粒子はどのように相互作用し、散乱し、消滅し、再び現れるのか？粒子数が固定されておらず、相対性理論の要求を満たす枠組みをどのように構築するのか？
答えは20世紀半ばに量子場理論とともにやってきました。フェインマンらが開拓した――私たちの物語の次の章です。
量子力学は原子や分子を説明するのに勝利を収めましたが、実験がさらに深く探るとその限界が明らかになりました。電子、光子、その他の粒子は単に束縛された状態に留まるだけでなく、相互作用し、衝突し、消滅し、新しい粒子を生み出しました。これらのプロセスを記述するためには、量子力学をアインシュタインの特殊相対性理論と結婚させる必要がありました。結果は量子場理論（QFT）であり、現代の素粒子物理学全体の基盤となる枠組みです。
通常の量子力学は粒子数を固定と扱いました。電子は原子内を移動できますが、突然消えたり変換したりすることはできませんでした。しかし、粒子加速器の実験はまさにそれを示しました：粒子は常に生成され、破壊されます。そして、\(E=mc^2\) の相対性理論は、十分にエネルギーの高い衝突がエネルギーを新しい質量に変換できることを要求しました。
QFTはオントロジーを変えることで応答しました：場が基本であり、粒子はその励起です。 各粒子種は全空間を満たす量子場に対応します。
生成と消滅は自然になりました：場を励起するか、励起を解除するだけです。
完全に成功した最初の相対論的QFTは量子電磁力学（QED）であり、荷電物質（電子など）と光子の相互作用を記述します。1940年代にリチャード・フェインマン、ジュリアン・シュウィンガー、朝永振一郎によって開発され――彼らは1965年のノーベル賞を共有しました――QEDは初期の計算の悩みの種である無限大を解決しました。
鍵は繰り込みでした。特定の無限大をいくつかの測定可能なパラメータ（電荷、質量）に吸収する原則的な方法で、正確な有限の予測を残しました。成果は歴史的でした：QEDは電子の磁気モーメントを驚異的な精度で予測し、科学全体で最も正確に検証された予測の一つです。
フェインマンの最も影響力のある貢献は概念的でした。彼は絵画的な計算――フェインマン図――を発明し、不透明な積分を視覚的で数えられるプロセスに変換しました。
図はプロセスに寄与する可能な「物語」を列挙し、フェインマンの経路積分観を反映します：量子プロセスはすべての経路を探り、振幅が加算され、確率はその大きさの二乗から生まれます。かつて恐ろしかったものは、触れられ、計算可能なものになりました。
QEDは電磁気学を支配しました。しかし、同じ道具箱――場、ゲージ対称性、繰り込み、図式化――はさらに進むことができました。
統一のモチーフはゲージ対称性でした：方程式が局所的な変換下で形状を保持するように要求すると、必要なゲージ場（光子、グルーオン、W/Z）や相互作用構造が驚くべき必然性で現れます。
世紀半ばの終わりまでに、QFTは素粒子物理学の共通言語となりました。それはサブアトミックな世界を整理し、正確な計算を可能にしました。しかし、重力は量子化に抵抗しました――同じ繰り込みトリックが失敗しました――そして時空の完全な量子理論は依然としてとらえどころがありませんでした。QFTは壮麗で、領域に限定された勝利でした。
QEDの成功は、1950年代と60年代の混沌としたフロンティアに取り組む物理学者を勇気づけました：「粒子動物園」。パイオン、カオン、ハイペロン、共鳴――新しいハドロンが加速器から混乱するほど豊富に流れ出しました。このカオスは本質的なものか、周期表のよう整理できるのか？
核結合は奇妙な特徴を示しました：
古典的な類推は失敗しました。全く新しい絵が必要でした。
1964年、マレー・ゲルマンと独立してジョージ・ツワイグは、ハドロンがより少ない、より基本的な構成要素から作られていると提案しました：クォーク。
このモデルは動物園を整理しました。しかし、実験は単一のクォークを決して分離しませんでした。クォークは「本物」なのか、それとも便利な簿記にすぎないのか？
高エネルギーでも陽子が粉砕されると、検出器はハドロンのシャワーを見ましたが、自由なクォークではありませんでした。クォークを結びつける力が、離そうとすると強くなるようでした――まるで引っ張るほどきつく締まるゴムバンドのようでした。力は電磁気学とどうしてそんなに異なる振る舞いをするのか？
ブレークスルーは新しい非可換ゲージ理論でした：量子色力学（QCD）。
この最後の特性――自己相互作用するゲージボソン――はQCDをQEDと質的に異ならせ、その最も顕著な特徴を支えました。
1973年、デビッド・グロス、フランク・ウィルチェック、デビッド・ポリッツァーは漸近的自由を発見しました：
簡単な説明：より多くのエネルギーでズームインすると、クォークはひもから滑り落ちます。ズームアウトすると、ひもが締まります。
これはSLACの深い非弾性散乱の結果（陽子内の点状構成要素）と自由なクォークの不在を説明しました。この3人は2004年にノーベル賞を受賞しました。
QCDはエレガントなアイデアから経験的基盤へと成熟しました：
ハドロンは基本ではなく複合的になりました。グルーオンが「接着」を担当しました。
QCDは、QEDと電弱理論と組み合わせ、標準モデル（SM）を完成させました。それは圧倒的な成功でしたが、新たな謎を照らし出しました：
この理論は多くのことを説明しましたが、すべてではありません。
1970年代初頭、QEDとQCDは確固たる基盤に立っていました。しかし、弱い核力――放射性崩壊や太陽融合に責任を持つ――は奇妙でした：短距離、パリティを破り、重いボソンによって媒介されます。
より深い統一が誘いました。それは電弱理論として到来し、物理学の最大の成果の一つでした。その中心的な予測――ヒッグスボソン――は確認にほぼ半世紀かかりました。
弱い力は以下で現れます：
特異な特徴：
これらのボソンはどこから質量を得るのか、なぜ光子は質量を持たないのか？これは中心的な謎でした。
1960年代、シェルドン・グラショウ、アブドゥス・サラム、スティーブン・ワインバーグは統一を提案しました：電磁気学と弱い力は単一の電弱相互作用の2つの側面です。
主要なアイデア：
ヒッグス場は全空間を満たす宇宙的な媒体のようです。それと相互作用する粒子は慣性質量を得ます。それと相互作用しないもの（光子など）は質量を持ちません。
簡単な説明：質量は一度与えられる「物質」ではなく、遍在する場との継続的な相互作用です。
英雄的な実験が理論を検証しました：
この発見は標準モデルの粒子リストを完成させました。嵐は過ぎ去り、地図は地形と一致しました。
2010年代には、標準モデルは科学で最も成功した理論の一つとして立っていました：
力（場）：
粒子：
その予測力は驚異的で、世代を超える衝突器と検出器で確認されました。
2012年にシャンパンのコルクが弾けても、物理学者たちはSMが不完全であることを知っていました。
ヒッグスの発見は終わりではなく、始まりでした――SMがこれまで正しいことを示す標識です。
ケルビンの控えめな「雲」から大規模な革命まで、物理学は異常を真剣に受け止めることで進展しました：
古い理論は破棄されず、限界ケースとして埋め込まれた：低速かつ弱い重力でのニュートンとアインシュタイン、大きなスケールでの量子力学の古典物理学、固定粒子数でのQFTの非相対論的量子力学。
ニュートンの機械的宇宙からプランクの絶望的な量子へ、アインシュタインの光子からボーアの量子ジャンプへ、フェインマンの図からQCDのジェットとヒッグス場の静かな遍在へ――過去150年は小さな雲から生まれた嵐を示しています。すべての異常――水星の軌道、黒体スペクトル、不安定な原子、欠けていたヒッグス――はより深い何かが発見されるのを待っている手がかりでした。
今日、標準モデルは勝利として立ち、その予測は絶妙な精度で確認されています。しかし、ケルビンの雲のように、新たな謎が潜んでいます：暗黒物質、暗黒エネルギー、ニュートリノの質量、バリオン非対称、量子重力。歴史が導くなら、これらの亀裂は物理学が終わったことを意味しません――それはもう一つの革命が始まったばかりであることを意味します。