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物理学のトリビア

作成者 Atsushi、公開日 01/07/2019 Blog > アカデミック > 物理学 > 物理学のトリビア

数学と科学という2つの最も恐れられている教科がひとつ屋根の下で暮らしているという理由だけで、多くの学生が物理の勉強に恐怖を抱いています。

けれども、結婚がどれもそうであるように、気楽な面もあれば難しい面もあり、結婚生活を上手くおくる秘訣として多くの人が考えているように、明るい面に焦点を当てることで、暗い面を耐え忍ぶことができます。

その精神を糧に、Superprofが物理学の素晴らしく、息を飲み、カッコよく、楽しく、きちんとしていて気の利いた事実をお教えします。多くの人にこの科学のトリビアを非常に興味深いと感じていただけることでしょう。

科学の理解の促進に、物理学および数学の先生を雇ってみてはいかがでしょうか?

この記事を読み終わる頃までには、夢中になっていただければと思います!

携帯電話と物理学

スマートフォンの画面はプラズマ物理学を応用したものです!ソース:Pixabay Credit: Stevepb

今日、スマートフォンのようなハイテク機器を操作するのに、ロケット科学者であったり、天体物理学の学位を取得していたりする必要はありません。その概念と操作には物理学がかなり関わっているにもかかわらず、です。

携帯電話の画面に触れるだけで反応し、操作できることを不思議だと思ったことはありませんか?

まず、ちょっとした背景についてお話します。

人間は電気的存在です。私たちの身体は、いたるところに、神経系に沿ってメッセージを伝達し、心拍を調節し、個々の細胞を保護する正と負の電荷を持っています。

これらのプラスまたはマイナスに帯電したイオンは、反対の電荷を持つものに触れたときにパチッと来ることで感じられます(特に冬に)。

静電気は、放出を待つ電荷の蓄積です。それは壁のコンセントから電子機器に流れ込む電流とは対照的です。

カーペットの上を歩くことで足の裏に生じる摩擦は、ドアノブのように反対の電荷を持つものに触れると放出される電子を蓄積します。

脳内の電気的活動はEEG(脳波計)で測定することができます。これは、不思議なことに、私たちが普段使っているスマートフォンの画面と同じ基本原理で機能します!

EEGとスマートフォンの画面に表示されるものはどちらもイオン電流によるものです。

指先の電子が携帯電話の画面で同じように荷電した電子をはじくと、電気回路が開かれ、プログラムされたセンサーが携帯電話のソフトウェアでコード化された動作を実行するようになっています。

指のツメや消しゴムでスマートフォンを操作できないのはそのためです。ツメや消しゴムは適切な電荷を帯びていないのです!

また手袋でタップしてお気に入り動画を再生することもできません。それがニットを通してイオンの導電を可能にする特殊な手袋だった場合はできますが。

携帯電話に関するもう一つのトリビア:携帯電話は、実はアインシュタインの特殊相対性理論を利用しています。

GPSのナビゲーションは、エネルギー、質量と速さ(時間)という要素を利用していて、その要素は最も有名な理論物理学者が作り出した洗練された公式で構成されています。

携帯電話は、最低4つの正確に調整された衛星の絶え間ない監視下にあり、正確にタイミングをとった信号パルスの間で移動した距離を測定し、既知の地図に現在位置を適用しています。

お住まいのエリアで最高の物理学・数学の先生を探してみませんか?

携帯電話の位置情報サービスをオフにしても、位置データは関係なく収集されます。

そのようなデータを収集していることが、Googleが渦中の企業になっている理由の一つです。

今見てきた用語について、物理学用語集を参照したいという人もいるかもしれません。

水についての豆知識

水は光の速度を遅くします。つまり、コップ一杯の水を通して何かを見ると歪んで見えることになります。ソース:Pixabay Credit: 95839

コップの水について触れたところで、生きる上で欠かせない水について探り、表面張力と光の屈折について発見してみましょう。

最初の質問:さわやかな甘みのあるゼリーが好きだという人はいますか?

要らないという人は、たぶん冬の寒風にさらされているからでしょうか・・・それなら、耐えられない酷暑の夏を思い出してみましょう

ゼリーが好きな人は、スプーンでゼリーを叩いて、揺れはするけれどもへこまない様子を見つめたことがあるでしょう。

その現象は表面張力と呼ばれています。表面張力は、物体の外面が弾性膜として機能するときにできる力です。

表面張力の概念は、水が浮いているように見える浮遊とはまったくの別物です。浮遊は、物質に浮かぶ物体がその物質自体よりも浮力があることを意味しているからです。

たとえば、木材は水よりはるかに密度が低いため、浮遊することができます。けれども、川に浮かぶ木の枝が水を十分吸収すると重くなり、最終的には川底に沈みます。

ゼラチンは比較的高い表面張力を持っています。そのため、アイスクリームのように表面全体をすくうのではなく、デザートを掘るようにして食べないといけないことを意味します。

物理・数学の先生を探してみましょう。

水は凝集体でありながら、それぞれの水分子が表面張力を持つという驚くべき性質があります。

そのため、水の入ったグラスを通して見ると、ガラスを通して見た場合よりも画像の歪みが大きくなります。

それは光の速度を遅らせる水の性質と関係があります:像があなたの目に達する時までに、物の全体像がつかめなくなるのです。

光が水を通過すると、その陽子は3/4の速度でしか移動しません。

古典物理学の光速に対する考え方が間違っているという意味ではありません。光は速く進みます。ただし、真空状態の中において、です。

大型ハドロン衝突型加速器を水で満たして光線を通すと、光線の進行はずっと遅くなります。

それでは、他の水域と比べて表面張力は同じぐらいでも、地球上で最も密度が高い水域、死海について話しましょう。

死海の塩分を裸眼で見ることはできませんが、密度が非常に濃いため平均的な人間が沈むことはできないほどです!

ここで問題。なぜ溺死すると一端海の底に沈んでから、再度浮上してくるのでしょう?

お住まいの地域の物理学・数学の先生を見つけてみましょう。

溺死の原因は肺に水分を取り込んでしまうところにあります。それにより、身体は水分より重たくなります。身体が分解されると、ガスで満たされ、水よりも軽くなるのです・・・。

なんて不気味な話でしょうか!

最後に、水がいかにして発見を促したかについてのお話します。アルキメデスと浴槽の話はご存知ですか?

アルキメデスは、王が新しい王冠を作らせるのに提供した金に、職人が銀を混ぜてごまかしていないかを探る任務を引き受けました。けれどもその内容物をテストするのに王冠を溶かすことは許されませんでした。

アルキメデスがお風呂に入りながら問題について熟考していると、水位が身体の容積に正確に比例して上昇することに気づきました。そうして、彼は問題の王冠を沈めて水位の変化を測定することで、王冠の密度を計算することができるという仮設を立てました。

ご存じかもしれませんが、金は銀よりはるかに密度の高い金属です。

彼は思いついた仮説にとても興奮していたので、お風呂に入っているのを完全に忘れてしまいました。パンツさえ履いていなかったのです!大興奮した彼は「ユーレカ!」(古代ギリシャ語で「私は分かった!」)と叫びながら通りを駆け抜けました。

アルキメデスの原理と物理学の他の重要な概念についてもっと学びましょう!

私たちは素粒子に凝縮することができます。つまり、すべての人類が非常に重い角砂糖になる可能性だってあるのです!ソース:Pixabay Credit: Humusak

ヒトについての豆知識

量子力学や計算物理学に余念がない科学オタクとして、私は数世紀遅く生まれてしまったために、人類史上最も多才なレオナルド・ダ・ヴィンチと話すことができないことが残念でなりません。

その反面、スティーブン・ホーキング博士が現生にいた時代に生きられたことを嬉しく思います。何世紀も経った後、博士が登場した映画『博士と彼女のセオリー(The Theory of Everything』を通して物理学を志すことにした人が、あまりに遅く生まれ過ぎたと嘆く日は来るのでしょうか?

ここまでの話は、凝縮物質物理学と宇宙論という物理学の2つの魅力的な研究テーマを紹介する露払いをするためでした(とりわけ、ブラックホール、ダークマター、ホーキング放射)。

人類全体をありふれた角砂糖の大きさに凝縮できることを知っていましたか?

私たちは皆、プロトン、電子と中性子、それらの間にある空きスペースの束で構成された原子でできています。

人類の身体から空間を取り除くと、角砂糖と同じくらいの大きさになるでしょうが、非常に濃いので信じられないほど重たいものになるでしょう!

つまり、映画『アントマン&ワスプ』の量子の世界の探査の背後にある理論は正しいのですが、見せ方は正しくありません。縮んだ車、建物、人は重すぎて片手で拾い上げることなどできないでしょう。

宇宙にも同じ空間問題が存在します。私たちが見ることができるのは宇宙全体の約5にすぎません。

もっと良い望遠鏡や装置が必要なわけではありません。宇宙空間はダークエネルギーやダークマターと呼ばれるもので満たされた空間だからです。

おそらく、そのダークエネルギーが、仮想粒子を空間を通して飛び越えさせ続けることで、宇宙の拡張を加速しているのでしょうか。

次にコーラや他の炭酸飲料をコップに注ぐとき、気泡のライフサイクルについて考えてみましょう。一見したところ気泡は何もないところから形成され、コップの表面まで上昇して飛び出し、小さなガス状のものを空気中に放っているように見えます。

同じことが宇宙でも起こります。これは量子泡(または量子ゆらぎ)として知られている現象です。物理の法則を破っていると揶揄されていますが、なぜそうすることが宇宙論の出来事やバランスの他の側面に影響を与えないのか、誰も答えを出せていません。

そして、ブラックホールがあります。

一般相対性理論は、十分にコンパクトな質量、おそらく上記のようにその原子からすべての空間が吸い出された質量は時空を変形させ、重力の引っ張りを引き起こすことができると予測されています。

偉大な宇宙現象の研究者であるスティーブン・ホーキング博士は、ブラックホールが放射線を放出するだけでなく、ブラックホールに吸い込まれるあらゆる宇宙事象の痕跡記憶を保持するという仮説を立てました。

そのコンセプトは、その場所で起こったこと、そしてこれから起こることが手をかざすと見えてくるといったドラマの中の超能力者の能力でよく表されています。

より現実的には、ホーキング博士の最後の講演で、2つの中性子星の衝突から重力波が生じると説き、天体物理学者の度肝を抜きました。

理論物理学と私たちの宇宙を理解するのに、シェルドン・クーパー、レオナルド・ダ・ヴィンチ、ラジェッシュ・クースラポリ、スティーブン・ホーキングのように偉大になる必要はありません。また、統計数学、電気、磁気の背後にある科学を愛するのにハワードのようになる必要もありません。

物理学の超能力を持つ俳優に憧れるのと同じように、実在する物理学者とその発見について憧れてみるのはいかがでしょうか?

自分自身が、純粋な物理学を具現化した存在であることを認識するだけでその入り口に立つことができます。私たちの身体は電子と磁気で満ちており、ほんの少しの不確実な理論を加えれば、身体とは何かの手がかりがつかめることでしょう。

物理学に魅せられ、熱が上がっている今、あとはどの分野を開拓するかを決めるだけです。

  • 固体物理学
  • 量子電磁力学
  • 数理物理学
  • 原始核物理学
  • 熱力学
  • 応用物理学
  • 素粒子物理学

また、物理学の世界で活躍の場を広げる女性の存在も忘れないようにしましょう。

女性の方も、物理学のすべてを学ぶことができます。天体物理学や量子物理学と聞いて、ロマンが掻き立てられる気分になりませんか?

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