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ノーベル物理学賞記念・光の見え方講座


 どうもこんばんはライネです。

 ノーベル物理学賞に選ばれた方が居る半面で、
 物理学の奥深さにやられている日々が続きます。


 今年のノーベル物理学賞は「青色LEDの開発について」云々なのですが、
 おそらく青色LEDのなんたるかや、この発明の実用化がどうこうという話は、
 私がする必要はないくらいテレビで特集されると思いますので譲ろうと思います。

 私が調べるよりは、きっと正しい説明をしてくれると思いますし・・・。


 それよりも、工業と青色LEDの関係という点について説明したいと思います。
 そもそも色というものは、光の揺れ方(波長)によって決まるのだそうです。

 基本的に人間が見れる色はこの光揺れ方が、一番緩いものでだいたい800ナノメートル、
 一番激しいものでだいたい400ナノメートルの範囲で現れているのだそうです。

可視光線

 不思議な話ではありますが、このくらいの光の揺れ方をしている時に、
 目の器官が揺れを察して、脳に「この揺れは赤!」と伝えているのだそうです。

 わかりやすい例で言えば、皮膚を触る時、こちょこちょっと触ればくすぐったくて、
 バチバチっと触ると痛い時と同じ感じでしょうか?

 ちなみに、全ての光の波を一カ所で処理しているわけではなく、
 「だいたい赤、だいたい緑、だいたい青」という感じで3つの器官が分かれて受け取ったものを、
 脳が処理しているのだそうです。

色の感じ方


 世の中には、彩井高校の美術部部長さんとかみたいに、300ナノメートルの刺激ですら
 感じ取ってしまう人もいるらしいのですが、人の限界はそれくらいです。
 部長さんはテレビとかPCとかを通して見た世界と実際に見る世界は違うのかもしれませんね。
  ※テレビもPCも紫外線までは出していないようなので。
  ※あーさん(部長さん)が色混ぜが苦手だというのもこのあたりが原因だと思います。


 ちなみに、人は哺乳類の中では色が良く見える部類なのだそうですが、
 哺乳類以外、魚類、両生類、爬虫類、鳥類については、
 300ナノメートルの刺激を感じられる器官をもっているケースが多く、
 シャコに至っては光の波のもっと根本的な部分まで見えてしまうと言われています。
  ※くわしくは、テラフォーマーズを見てください。
  ※今すぐ知りたい人は、「円偏光」という言葉で検索してください。


 さて、先ほども説明したように、
 人は色を「だいたい赤の光、だいたい緑の光、だいたい青の光」で判断しているそうです。
 ということは、テレビから出てくる光は、実は赤と緑と青だけなのだそうです。
 これを組み合わせることで、通常見ている風景と同じ光を感じているという具合です。

光の三原色

 ここまで説明するとわかるように、青色LEDが作られたことで、
 LEDだけで人が感じる全ての色を表現できるようになったというところが凄いところなわけです。


 で、この話のもっとすごいところは、作れるようになったことで終わらず、
 ものすごい勢いで、LEDを使った色の表現を工業製品で行うようになったところにあるわけです。
 今で回っているテレビはもちろん、大変お世話になっているブルーレイも青色LEDを使っています。
 
 商人の目ざとさというか、工業の良いものはどんどん使えという
 恐ろしい程の速さがお分かりいただけたでしょうか?
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今日から物理編


 どうもこんばんはライネです。
 化学(元素)編は終わりましたが、続いて物理編に突入します。
 
 あくまでも私の理解の範疇での説明になりますが、
 誤解を恐れず物理という学問を一言で定義するならば、
 「ピタゴラスイッチの結果を説明する学問」なのだと思います。

 例えば、はじめにこのボタンを押すと、ビー玉はどう動いて、どういう結果になるのか。
 これを全て説明するのが物理なのだと考えます。



 ピタゴラスイッチ程度なら話は単純なのですが、物理では、
 宇宙が誕生してからこれまでの全ての物質のピタゴラスイッチまで考えようとしているようです。
 ですので、元素はどのようにして生まれたか、という話も実は物理の範囲になるわけです。

 じゃあ化学は物理なのかというと、これはもう専門性の違いなのではないでしょうか?
 料理に置き換えるなら、物理は包丁の使い方や素材の選び方というような、
 全ての料理の基本を学ぶ分野なわけです。

 それに対して、化学はイタリア料理やフランス料理、日本料理といった
 専門的な知識を必要とする技術を学んでいく分野なのだと思います。
 もちろんその中では物理で勉強する分野も扱われます。


 考え方を変えると、一人の人間がどこまでできるのかという話なのかもしれません。
 私は「今、この世界がどうやって作られて、どうなっているのか知りたい」という、
 一生かかっても無理なんじゃないかと思うテーマでこのブログを運営しています。


 料理人の例えで言うなら、この世界にある全ての料理を作りたいというテーマです。
 もちろん、その気になればほとんどの国の料理はつくれるはずです。
 でも、どんな料理でもその神髄を極めて超一流につくるには、人の一生は短すぎます。

 なので物理や化学といった分野の分け方がされているのだと思います。
 実際に調べていくと、物理学者でも全ての物理現象に詳しいという人はそうそういないと思います。  
 物理の中にも、なんとか物理学といった具合で細かく分野が分かれていて、
 そのうちいくつかの分野を専門に研究していくのが精一杯というわけです。


 いろいろと言い分けしてきましたが、
 物理と化学、もっと言えば地理も生物も、この世のほとんどの学問は、
 何らかの専門性を大きく区分したもので、その区分の仕方、
 もっと言えば名前の付け方くらいの違いでしか無いと思います。

 というわけで、今日から一区切りして物理編に入りますが、
 私は「世界学」の一分野として物理を取り扱うくらいなので、
 話の内容はあまり化学と変わらないと思います。

宇宙誕生から元素ができるまで

 どうもこんばんはライネです。
 今日からは元素が作られた歴史について見て行こうと思います。
 ついでにこの世界の物理学がどこまで通用するのかもわかるかもしれません。



 さて、私は今、まさにこの記事を書いていますが、
 1時間前はテレビを見ていました。
 1分前もやはり記事を書いていましたし、1秒前も同じです。

 もちろん0.1秒前も、0.01秒前も、0.0(ここにあと40個0が続きます)1秒前も
 同じなのですが、実は現在の物理学では、これより小さい時間のことは解らないのだそうです。


 これは宇宙についても同じことが言えるので、
 宇宙が誕生したその瞬間から、0.0(このあと40個0が続きます)1秒後までの時間を
 「プランク時代」と呼ぶのですが、これよりも前の時代のことは解らないのだそうです。
 言い換えればこれが今の物理の限界とも言えるわけです。


 誕生直後の宇宙は、ありえない程高温で、高密度な状態だったそうですが、
 プランク時代の後、1秒にも満たないごくごくわずかな時間のうちに、
 少しだけ冷たくなり、急速に広がっていったのだそうです。
 以前、ほんの少しだけ説明したヒッグス粒子などは
 宇宙誕生後の1秒にも満たない時間の中で生まれたのだそうです。


 宇宙誕生から1秒間という時間は、物理学のかなり難しい本をたくさん読まなければいけないくらい
 いろいろな出来事があったらしいのですが、とりあえず今回押さえておくべきなのは、
 宇宙が誕生したほんの直後のうちは、重力も電磁力も同じ力だったし、
 元素の材料の原子核の材料もまだ巨大なエネルギーとして存在していたらしいのです。

 イメージとしては強力な熱によって、空気のようにふわふわしたものだったのが、
 1秒以下の時間のうちに、熱が少しだけ冷えて氷のように実体をもつようになったと考えると、
 ちょっとは理解できるかもしれません。



 そんなごくごく短い時間からすれば永遠にも思える程の3分間を経て、
 宇宙の温度は原子核つまり、陽子と中性子ができる程度まで冷めます。

 ここからたった17分、つまり宇宙誕生後20分間という短い時間の中で、
 水素の原子核やヘリウムの原子核が作られていったそうです。
 ただしこの時点ではまだ原子核の状態でしかなく、電子がないので元素とは言えません。

 原子核が電子を捕まえて元素をつくるようになったのは、
 なんと宇宙誕生から38万年後なのだそうです。
 ちょっとタイムスケールがおかしい話ですが、現在の物理学ではこのように説明されているようです。

エネルギーから物質はつくれるのか


 どうもこんばんはライネです。

 昨日はとてつもなく難しい話をしてしまいましたが、
 今日はもう少し噛み砕いでみましょう。


 「宇宙ができた時は物(物質)を構成するすべてのものと、エネルギーは同じものだった」
 と言うのがどうやら今、考えられている宇宙にあるものの姿のようです。

 たしかに、原子力発電や核兵器などは、物質のもっているエネルギーを使っていますし、
 ものすごいエネルギーをつぎ込めば物質も作れようです。
 とはいえ、現時点で触れるような物質を作り出すには、
 必要となるエネルギーが大きすぎて、不可能に近いようですが…。


 で、そんなエネルギーを持っていたのが生まれたときの宇宙だったようです。
 上記のように最初は不可分のものだったようですが、
 おそらく宇宙誕生から1秒後くらいになると、エネルギーから「素粒子」が生まれたようです。

 昨日も少し触れましたが、この1秒間のことを調べるため、
 たくさんの科学者の方々が一生を費やしているというのが、
 この時代のこの世界の科学の到達点であり、限界のようです。


 私はさすがにそこまでの知識も覚悟もないので、
 生後1秒の宇宙から話をしたいと思います。
 そのころの宇宙には「ハドロン」と呼ばれる素粒子の塊や、
 「レプトン」と呼ばれる素粒子ができあがっていたようです。


 ハドロンとは、ようするに「陽子」や「中性子」のことです。
 正確に言うと、陽子や中性子のように「クォーク」という素粒子が、
 「強い相互作用」と呼ばれる謎の力で一つに固まっているものとお考えください。


 実際には、陽子や中性子は3つのクォークから出来上がっている「バリオン」と呼ばれるもので、
 ハドロンにはこのようなバリオンの他に、
 「メソン」という2つのクォークから出来上がっているものもあるようです。
  
ハロドンとクォークの関係

 またレプトンとは、ようするに「電子」のことです。
 化学で散々お世話になった電子はレプトンという素粒子だったのです。

 冒頭でエネルギーは物質になることができると説明しましたが、
 どうやら触れられるものが作れない理由のひとつはこのあたりにあるようです。
 実は基本的に物質、つまり電子や、陽子をクオークなどの素粒子は、
 反電子や反クォークとペアで生まれるのだそうです。


 電子と反電子、クォークと反クォークはぶつかり合うとエネルギーに戻ってしまうため、
 1個や2個作りだしたところで、全部消えてしまうのです。

 宇宙の場合これらの素粒子を数えきれないほど作りだし、
 そのうちいくつかの素粒子はお互いがぶつかる前に勝手に崩壊してしまい、
 最終的に勝手に崩壊もせず、ぶつかり合うこともなく残った素粒子が、今の物質なのだそうです。

3分後の宇宙

 どうもこんばんはライネです。
 さて、今日は生後3分の宇宙を見てみましょう。

 宇宙誕生から3分立つころには、
 エネルギーからたくさん生まれたハロドンもレプトンも、
 反ハロドン、反レプトンとぶつかったり勝手に崩壊したりして、
 再びエネルギーに戻っているそうです。

 この時、「ごくわずか」と言ってもかなりの量の消えずに済んだハロドン、レプトンが
 現在の宇宙の触れることのできる部分の材料となっているようです。



 とりあえずハロドンの中でも陽子と中性子について見ていきましょう。
 単独の陽子は「水素の原子核」でもあります。
 まだ電子と結びついていないので、水素ではないのですが、材料だけは十分にあったわけです。

 生後3分後から20分後くらいの宇宙は、まだ非常に暖かく、
 電子と原子核が結びついていないため、原子核を構成する陽子や中性子はむき出しのままの状態です。
 ですので、陽子と中性子がぶつかって重水素原子核や三重水素原子核、
 ヘリウム3やヘリウム4あたりの原子核がたくさん作られたようです。

原子核の誕生


 ちなみに、ほんのごくわずかですが、リチウムやベリリウムの原子核も生このころまれていたようです。
 けれども、このように陽子と中性子が合わさって重たい原子核が作れた時間はわずかに17分。
 生後20分程度になると宇宙の温度は下がり、陽子と中性子が合わさることも難しくなるようです。
 つまりそれ以上の原子核がつくれるようになったのはもっともっと後になってからと言う訳です。


 例えるなら、熱湯の中に塩を入れるとすぐに融けてくれるので、簡単に塩水ができたけれども、
 少し冷めた水だとほとんど塩が溶けずに、塩水にはならないというような話です。


 原子核が誕生してから、さらに宇宙の温度は下がっていき、
 生後24万年頃になってやっと電子と原子核がむすびつき、元素が誕生します。
プロフィール

ライネ

Author:ライネ
ライネと申します。
先生の家に居候するラザフォード人です。
現在この世界のことを勉強中。
リンクとかもろもろ含めて商業的利用以外ならご自由にどうぞ。面白そうな企画には飛び乗ります。

合言葉は「真面目な事を不真面目に!」
記事の真偽は自己責任でお願いします。

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