宇宙のスケール１ ミクロの世界から

宇宙や物理を知って、UFOをもっとよく知ろう

筆者はUFO以前に宇宙に関する話も大好きなので、UFOの視点から宇宙の知識についてまとめてみようかという項目だ。
最初は宇宙に関してのみ書くつもりだったが、宇宙のことを正しく語ろうとすると、単に天体のことばかりでなく化学や物理学などの広い知識が必要なことに気付き、そちらへの興味も湧いてきた。

そこで自分の勉強も兼ねて、関連する周辺知識についてもまとめてみようと思う。
と言っても、天文学や物理学はアマチュアはいいところだし、雑誌のNewtonやNHK教育のサイエンスZEROとかで得た知識がほとんどなので、もしかしたら筆者の理解不足から記述に間違いがあったり、説明不足から誤解が生じるかも知れないことをあらかじめお許し願いたい。
自分の頭のレベルに合わせてまとめているので、中学〜高校生レベルであればまあまあ理解してもらえるんじゃないかと思う。

UFOや宇宙人というのは一見、現代科学で説明しきれない題材であるが、だからといって初めに現代科学で検証することを怠っては単なる怪談になってしまう。
UFOなどがいくら超常的な存在であっても、同じ世界に存在するのなら、必ず現代科学との接点だってあるはずと思うのだ。
UFOを肯定する上でも否定する上でも、正しい科学知識が必要だ。

手始めに、この宇宙を構成している物質を、ミクロからマクロまで順に追ってみたいと思う。

素粒子

すべての物質は素粒子から作られている。
現在のところクォーク、レプトンなどという素粒子が確認されているが、原子を作っているのはクォークである。

日本の観測施設カミオカンデで発見され、小柴昌俊東京大学名誉教授がノーベル物理学賞を受賞したニュートリノはレプトンの一種だ。

素粒子は質量があるのに体積が０の“点”であるとされるが、その矛盾を解決するための理論が超ひも理論（超弦理論）である。
超ひも理論では、素粒子は長さのある“ひも”のようなものとなるので、矛盾はなくなる。
ただし、この超ひも理論が正しいかどうかはまだ確かめられていない。

原子核

原子の中心にあるのが原子核だ。大きさは10⁻¹⁴m程度となる。
原子核はプラスの電荷を持った陽子と、電荷を持たない中性子からできており、それらは素粒子のクォークからできている。

原子

原子核の周りをマイナスの電荷を持った電子が運動しているものが原子だ。大きさは10の⁻¹⁰m程度だ。
原子の種類は、原子核にある陽子と、同じ数存在する電子によって決まる。
例えば水素原子は陽子が１個、電子が１個、ヘリウムは陽子が２個、電子が２個である。元素の周期表の原子番号というのは、陽子の数を表しているのだ。

電子はいくつか集まり、電子殻（でんしかく）という殻のような球面構造の軌道上を運動している。内側からＫ殻、Ｌ殻、Ｍ殻…と名前が付いており、電子殻の数は原子の種類によって違う。

最も外側の電子殻にある電子は最外殻電子と呼ばれ、原子どうしの化学結合に重要な役割を持っている。
電子殻ごとに存在できる電子の数が限られている。（Ｋ殻は最大２個、Ｌ殻は最大８個、Ｍ殻は最大18個…）

最外殻の電子の数が上限まで入っているとその原子は安定し、他の物質と反応しにくくなる。逆に最外殻の電子が埋まっていない原子は、他の物質と反応しやすい。

同位体

原子には、陽子の数が同じで中性子の数が違うものがある。これらを同位体と呼ぶ。中性子の数が違っても、原子の化学的性質は変わらない。

放射線を発する性質を持つ同位体を放射性同位体という。

同位体の表し方は、元素記号の左肩に陽子と中性子の数の合計を書く。
原子核に陽子が１個だけで中性子を持たない一般的な水素は¹H、中性子１個の重水素は²H、中性子２個の三重水素は³Hと表す。
酸素なら陽子８個＋中性子８個で¹⁶O、中性子が１〜２個多い¹⁷O、¹⁸Oもある。

イオン

原子はプラスの電荷を持った陽子とマイナスの電荷を持った電子の数が同じなので電気的に中性なのだが、電子の数が増えたり減ったりして電気を帯びることがある。これがイオンだ。
電子が１個以上増えると、マイナスの電気を帯びる。これが陰イオン。
電子が１個以上減ると、プラスの電気を帯びる。これが陽イオン。

イオンの表し方は、例えば電子が２個増えて陰イオンになった酸素はO²⁻ と表す。

宇宙ができてまもなくは、ほとんど水素とヘリウムの原子しかなかったが、その後、恒星の核融合反応などで鉄までの原子が生み出され、超新星爆発などの猛烈な宇宙現象によってウランまでの重い原子が誕生したと推測されている。

分子

原子と原子が結合して、物質としての特性を持つ最小の単位が分子だ。
例えば水の分子（H₂O）は水素原子２個と酸素原子１個が化学結合したものだが、水素原子と酸素原子単独では水の性質（0℃で氷になり、100℃沸騰するなど）は持っていない。ちゃんと化学結合して初めて水の性質を持つようになるのだ。

原子の化学結合の仕方には大きくわけて次の３種類がある。

• 共有結合
• 最外殻の電子が足りない時に、隣り合う原子どうしが電子を出し合って共有するもの。
• イオン結合
• 陽イオンと陰イオンが電気的に引き合って結合したもの。例えばナトリウムイオンNa⁺ と塩化物イオンCl⁻ がイオン結合したものが、食塩である塩化ナトリウムNaClだ。
• 金属結合
• 金属原子の最外殻の電子が、金属の結晶中を自由に動き回って結合させているもの。この電子を自由電子という。

物質／物体

分子が集まって一定の形になったものが宇宙にある様々な物質／物体だ。もちろん地球上にも物質／物体であふれている。
目の前にあるパソコンやモニターもそうだし、生命体である人間自身や動植物、空気も海も山も物質／物体だ。

星

ここでいきなりスケールが大きくなる。
様々な物質が集まった天体が星だ。小惑星や彗星などの小型のものを除き、重力で中心部分に引かれるため、形は安定的な球形になる。もちろん我々の住む地球も星だ。
星にも様々な種類があるが、我々に身近なものだけ挙げれば、水素ガスが核融合反応で熱と光を出している太陽のような恒星、地球や火星のような岩石中心にできている岩石惑星、木星や土星のようにガスを中心にできているガス惑星がある。

ここまでたどり着いたら、次はいよいよ宇宙の構造を見ていこう。→宇宙のスケール２