第1章科学と宇宙――ひとめぐりScience and the Universe: A Brief Tour

The foregoing discussion has likely impressed on you that the universe is extraordinarily large and extraordinarily empty. On average, it is 10,000 times more empty than our Galaxy. Yet, as we have seen, even the Galaxy is mostly empty space. The air we breathe has about 10¹⁹ atoms in each cubic centimeter—and we usually think of air as empty space. In the interstellar gas of the Galaxy, there is about one atom in every cubic centimeter. Intergalactic space is filled so sparsely that to find one atom, on average, we must search through a cubic meter of space. Most of the universe is fantastically empty; places that are dense, such as the human body, are tremendously rare.

ここまでの話で、宇宙が途方もなく大きく、途方もなく空っぽだと感じたことだろう。平均すると、宇宙は私たちの銀河よりさらに1万倍も希薄である。だが、すでに見たように、銀河も大部分は空の空間だ。私たちが呼吸する空気には、1立方センチメートル当たり約10¹⁹個の原子が含まれている。それでもふつう、空気のある場所を空っぽの空間だと思っている。銀河の星間ガスでは、1立方センチメートルに原子がおよそ1個ある。銀河間空間はさらにまばらで、平均して原子を1個見つけるには、1立方メートルの空間を探さなければならない。宇宙の大部分は、驚くほど空っぽである。人体のように物質が密集した場所は、きわめてまれなのだ。

Even our most familiar solids are mostly space. If we could take apart such a solid, piece by piece, we would eventually reach the tiny molecules from which it is formed. Molecules are the smallest particles into which any matter can be divided while still retaining its chemical properties. A molecule of water (H₂O), for example, consists of two hydrogen atoms and one oxygen atom bonded together.

最も身近な固体でさえ、大部分は空間である。そのような固体を少しずつばらばらにしていくことができれば、ついには、それを形づくる小さな分子にたどり着く。分子とは、物質がその化学的性質を保ったまま分割できる、最小の粒子である。たとえば、水の分子（H₂O）は、水素原子二つと酸素原子一つが結びついたものである。

Molecules, in turn, are built of atoms, which are the smallest particles of an element that can still be identified as that element. For example, an atom of gold is the smallest possible piece of gold. Nearly 100 different kinds of atoms (elements) exist in nature. Most of them are rare, and only a handful account for more than 99% of everything with which we come in contact. The most abundant elements in the cosmos today are listed in Table 1.1; think of this table as the “greatest hits” of the universe when it comes to elements. Note that the list includes the four elements most common in life on Earth—hydrogen, carbon, nitrogen, and oxygen.

分子はさらに原子からできている。原子とは、ある元素として識別できる性質を保った、その元素の最小の粒子である。たとえば金原子は、金の最小の一片に当たる。自然界には、ほぼ100種類の原子、すなわち元素がある。その多くはまれで、私たちが触れるあらゆるものの99％以上を、ほんの一握りの元素が占めている。今日の宇宙に多い元素を表1.1に挙げる。元素についての、宇宙の「ベストヒット集」だと思ってほしい。地球の生命に最も多い四つの元素、水素、炭素、窒素、酸素も、この一覧に含まれていることに注目しよう。

All atoms consist of a central, positively charged nucleus surrounded by negatively charged electrons. The bulk of the matter in each atom is found in the nucleus, which consists of positive protons and electrically neutral neutrons all bound tightly together in a very small space. Each element is defined by the number of protons in its atoms. Thus, any atom with 6 protons in its nucleus is called carbon, any with 50 protons is called tin, and any with 70 protons is called ytterbium. (For a list of the elements, see Appendix K.)

すべての原子は、中心にある正の電荷を帯びた原子核と、そのまわりを取り囲む、負の電荷を帯びた電子からなる。各原子の物質の大部分は原子核にある。原子核は、正の電荷をもつ陽子と、電気的に中性の中性子が、ごく小さな空間に強く結びついたものである。元素の種類は、その原子の陽子の数によって決まる。したがって、原子核に陽子を6個もつ原子はすべて炭素、50個もつ原子はすず、70個もつ原子はイッテルビウムと呼ばれる。元素の一覧は付録Kを参照してほしい。

The distance from an atomic nucleus to its electrons is typically 100,000 times the size of the nucleus itself. This is why we say that even solid matter is mostly space. The typical atom is far emptier than the solar system out to Neptune. (The distance from Earth to the Sun, for example, is only 100 times the size of the Sun.) This is one reason atoms are not like miniature solar systems.

原子核から電子までの距離は、ふつう、原子核そのものの大きさの10万倍である。固体でさえ大部分が空間だというのは、このためだ。典型的な原子は、海王星までを含む太陽系よりも、はるかに空っぽである。たとえば、地球から太陽までの距離は、太陽の大きさの100倍にすぎない。これが、原子が小さな太陽系とは違う理由の一つである。

Remarkably, physicists have discovered that everything that happens in the universe, from the smallest atomic nucleus to the largest superclusters of galaxies, can be explained through the action of only four forces: gravity, electromagnetism (which combines the actions of electricity and magnetism), and two forces that act at the nuclear level. The fact that there are four forces (and not a million, or just one) has puzzled physicists and astronomers for many years and has led to a quest for a unified picture of nature.

驚くべきことに、物理学者は、最も小さな原子核から最大の超銀河団まで、宇宙で起きるすべてを、たった四つの力の働きで説明できると発見した。その四つとは、重力、電気と磁気の働きを合わせた電磁気力、そして原子核の規模で働く二つの力である。力が100万種類でも、たった1種類でもなく、四つあるという事実は、物理学者や天文学者を長年悩ませ、自然を統一的に捉える考え方の探究へとつながっている。