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2019年07月28日

2019年3月11〜22日◆E=mc2(前編)

E=mc2
これはアインシュタインの。
だけどこれは今、世界を動かしている。
それとこの式から何で原子爆弾ができたのか?
シンプルな式。
今、カーナビなんかもこれでできている。
カーナビというのは宇宙から三点で見ている。
その時に光の速度を計算してちょっと遅らせないと位置情報がずれる。

タッチパネルはもう、スマートフォンからなんでも今ある。
あまり画面が変わらないと、テレビの画面に子供が×するくらいだから。
あれも不思議。
あの中にも E=mc2 があるらしい。

福島に行ってちょっと女の子と話す機会があった武田先生。
3.11。
まさに今日。
(この回の放送日が3月11日)
「3.11特番」というのをローカル版で撮っていた。
そうしたら高校一年の時に3011年の「3.11」に遭遇して、その子は他県人からひどくいじめられた。
この放射線も E=mc2
だからみんないじめたりするのはいいのだが「東京電力何やってんだ!」と叱るのもいいのだが、実は何で叱っているのか、何でいじめているのか、何でいじめられているのか、実は何もわかっていない。
「怖いから」ばっかり。

E=mc2 に何度も挑戦している武田先生。
結局はわからない。
「わかるところまでおろしてみよう」というので、アインシュタインの E=mc2 に今回また。
これはもちろん物理学に革命を起し、自動車のナビから核兵器まで。
そして量子物理学という学問を立ちおこす、支配する式。
この短い式がいかに凄いのか?
何を証明して、宇宙とどうつながっているのか?
この数式に一つ挑んでみたい。

E=mc2のからくり エネルギーと質量はなぜ「等しい」のか (ブルーバックス)



 私たち生命をはじめとするすべての物質は、この不可思議な素粒子の、幾種類かの組み合わせによって構成されています。(14頁)

 物理学でいう素粒子≠ニは、実に不可思議な存在です。なにしろその粒子には「内部構造」が存在せず、「点」のごとくふるまうというのです。(14頁)

アンタも私も点の集まり。
ガラス板もテーブルから全部、点の集まり。

物質素粒子(フェルミオン)を糊づけする素粒子。この糊づけ素粒子≠ヘ「ボゾン」と命名されています。(15頁)

 人体を構成している37兆個もの細胞の一つひとつも、やはりフェルミオンとボゾンからできています。−中略−個々の素粒子は「生きている」とはとてもいえない状態なのに、たくさんのフェルミオン(物質素粒子)が集まってボゾンによって糊づけされた「細胞」が構成されると、なぜかそこに生命≠ェ発生するのです。−中略−生命のない素粒子が集まって、そこに生命が現れるとは本当にふしぎですね。(15頁)

(番組では「36兆個」と言っているが、なぜ1兆個減ったのかは不明)
「細胞」というものを考えた時に「なぜこいつが生き物なのか?」というよりも「こいつがどう動くか」ということで、物理の方角から生命ということを考えたほうがわかりやすい。

 面白い調査結果があります。
 太陽系や天体に関する話を学校で習ったり親から聞いたりしたことのない子どもに対し、太陽が毎日、必ず東から昇って西に沈んでいく現象について「地球が動いてる? それとも太陽が動いてる?」と訊ねてみたのです。
−中略−「地球はじっとしていて、太陽のほうが動いてる!」と答えた子が圧倒的多数でした。(16頁)

しかしなぜ人間は「あれ?おかしいなぁ?」と思ったのか。
月の説明がつかなくなる。
あれが満ち欠けしているのが何でなのか、というのが。
太陽が動いて地球が止まっていると考えると。

金星の満ち欠けはかなり昔から観測されているのですが、そのからくりの説明がきわめて難しいことがわかったのです。
 説明が困難な現象がもう一つありました。火星の動き方です。火星は、ある時期が来ると必ず順行と逆行の繰り返しが観測されるのです。つまり、地球から見る火星は太陽のように一定方向に動いているのではなく、行ったり来たりという運動方向を逆転させる運動をしているのです。
(17〜18頁)

なぜUターンしたり行ったり来たりしているのかと考え続けているうちに、ガリレオとケプラーがついに「違うんだ!地球が動いてるんだ!」という地動説を。
それで太陽を中心に水金地火木土天海王星という楕円軌道のその星の動きということで考えると全部説明できる。
これが発見されたのが17世紀半ばのこと。
そしていよいよ1661年、ニュートンが登場する。
(本によると1661年はニュートンがケンブリッジ大学に入学した年)
ちょっと話が E=mc2 から遠いが、ここから話を始めないと E=mc2 が解けないという。
ややこしい頭の痛い問題だが E=mc2
これが現代の物理を解く鍵。

ガリレオとかケプラーの後に登場したニュートン。
この方がもう有名だが、重力を発見し発展させた。
リンゴが落ちるところを見て「ん!重力!」と。
真理を発見する人はすごい。
何十億という人間たちがそれまで生まれてきてリンゴの落ちるところはみんな見ただろうが、ニュートンという人が見ると「あ!重力!」と思うワケだから。
日常というのは勉強し、研究しましょう。
この人は重力を発見した。
これはどういうことかと言うと、月と地球の関係においてわかりやすく言うと、引っ張り合っている。
だから落っこちない。
引っ張り合う力の源は何か?
それがそれぞれの重さ。
重さがあるものは引っ張り合う。
水谷譲も今、地球と引っ張り合っている。

 地球の質量は、5970000000000000000000000kgで、月の質量は73500000000000000000000kg。すなわち、月の質量は地球のそれのほぼ81分の1です。月からみた場合の地球のこの巨大な質量が、月が地球に向かって引っぱられる巨大な力を生むのです。(26頁)

太陽だけで、全太陽系の質量の99.9%を占めています。太陽がいかに大きく、その質量が巨大であるかが想像できるでしょう。
 したがって、太陽が醸し出す重力もまた、そうとうに大きなものであることがわかります。
(26頁)

「重さ」とはその星における重さ。
「重さ」はなかなか考え方が難しくて。
水谷譲の「重さ」は例えば41kgとする。
だが、月に行くと重力が弱まるので水谷譲の体重はもっと軽くなる。
(月は重力が1/6なので6.8kgほどになる)
重さは月によって変化する。
だから月に行っても地球と変わらない「質量」というものの考え方をしましょう。

あの有名な、ピサの斜塔における落下運動に関する実験です。
 塔の上から二つの重さ(質量)の異なる物体を同時に手放したら、どちらが先に地面にぶつかるかというものです。ふつうに考えれば、重い物体のほうが速く落下して、先に地面に到達するような気がします。ところが実際には、重かろうが軽かろうが、同じ高さから同時に手放された二つの物体は、まったく同時に地面に到着します。ただし、厳密には空気抵抗のない場合だけに成り立つ現象です。
(39〜40頁)

 ニュートンは、一つの物体がもう一つの物体に重力を及ぼす際、その力は一瞬のうちに伝わると考えたのです。彼はこれを「遠隔作用」とよびました。(43頁)

 地球と太陽を例に考えてみましょう。両者間の距離は1億5000万kmです。ニュートンによれば、地球と太陽も重力質量をもっているために、重力はこの1億5000万kmの距離をまったく時間をかけずに一瞬のうちに伝わります。−中略−
 現在では、このニュートンの考え方は完全に間違いであることが実証されています。
(44頁)

そのニュートンを間違いだとしたのがアインシュタイン。
この人は二十世紀の人。
この人は何が凄いかというと、一瞬で伝わるものはこの世界には無い。
真空を伝わる重力の速さを見つけた。
重力も捕まえにいくときに時間がかかる。

重力が実際に真空空間を伝わる速さは有限で、それは光の速度(光速度)です。光速度は秒速30万kmで、これを「c」で表します。(44頁)

秒速30万kmで捕まえに行く。
だから太陽の重力が地球に伝わるのは約8分かかる。
このことを発見した。

光より早い速度は、この宇宙に存在しません。(44頁)

ある重さのあるもの「m」は「c」の速度で引き合う力「E」エネルギーを生み出す。
これは不思議。
重さのあるもの×光速度の二乗=エネルギー

 一般的には、エネルギーとは「物体に物理的、または化学的な変化(あるいはその両方)を引き起こす源となるもの」を指します。エネルギーにはさまざまな形態があり、熱エネルギー、核エネルギー(原子力エネルギー)……エトセトラ、エトセトラ。(49頁)

 ここに、「エネルギー保存の法則」が登場します。(51頁)

エネルギーはあるものから生まれる。
例えば石炭から石油から、それからウランから生まれる。
あるものに化ける。
化けるが消えない。

 たとえばジョギングすると、体内に蓄えられていた化学エネルギーが消耗されていきます。−中略−消耗されたエネルギーはどこへ消えたのか? ジョギングの運動エネルギーへと変換されているのです。(52頁)

なんとなく E=mc2 に似ている。
とにかく運動エネルギーは質量「m」とそのものの速度の二乗に比例する。
重さ1tの車の速度が二倍になれば運動エネルギーは4倍。
二乗倍になっていく。
速度が3倍になったらエネルギーは9倍になる。
それは速ければ速いほどドッカーン!とぶつかって壊れるワケだから。
そして運動エネルギーは1/2mv2
とにかく車が何かにぶつかる。
1tの車が30kmでぶつかった時と60kmでぶつかった時は「運動エネルギー」ぶつかるショックというのは倍ずつになっていく。
運転免許証でやった。
車を止める時の停止の距離というのがスピードが増せばますほど、ブレーキを踏んでから止まる距離が長くなる、という。
その当たり前のことを数式で言うと1/2mv2 になる。 

この先生曰く、この運動エネルギーの他に、実は物に蓄えられたエネルギーというのが隠れているらしい。
質量にこの二つのエネルギーが隠れている。
一つは運動エネルギー。
もう一つが隠れたエネルギーということで「ポテンシャルエネルギー」。
「可能性がある」というエネルギー。

 箱Aの底に、強力なバネの一端が固定されています。もう一方の端は、どこにも固定されていません。バネは伸びても縮んでもいない状態にあります。このバネに、弾性ポテンシャルエネルギーは蓄えられていません。ここで、バネの質量はゼロであると仮定します。この状態で二つの箱AとBの総質量を測定したところ、1000gでした。
 次に、この強力なバネを強引に伸ばして、もう一方の端を箱Bの底にある固定点に固定します。バネを伸ばすときには当然、バネにエネルギーが与えられます。伸びたバネの元に戻ろうとする力によって、二つの箱は互いに引き寄せられ、やがてくっついてしまいます。それでもなお、バネは伸びた状態を保っているとします。
(58〜59頁)

 この、バネが伸びた状態にある二つの箱の質量を再度、測定してみます。驚くなかれ、測定結果は1030g! 30g増えています。−中略−伸びたバネには、弾性ポテンシャルエネルギーが蓄えられています。バネに現れたこの余分のエネルギーが、E=mc2 を通して質量に転換されたために、バネを含む二つの箱全体の質量が増えたのです。(60頁)

実際にやってみた武田先生。
一本の割り箸を二つに割り、輪ゴムでぐるぐる巻きにする。
絶対に重たくなるはず。
やってみたが(秤の)針は変化しない。
それで本に書いてあったのは「ものすごい細かい点々まで測れる秤じゃないと反応しません」と書いてあったから「先に言えよ」と思った。
とにかく、物にはポテンシャルエネルギー、隠されたエネルギーがあるということをお忘れなく。

物の中に隠れたエネルギーがある。
物と物とがくっつくと重さが変わるんだという話をした。
それが木であれ石であれ、金属であれ食物であれ。
生き物というものでもいい。
これは原子からできている。
原子というのは1億分の1cm。
見ることができないほど小さい。
でもこれは原子爆弾に繋がってくる。
これがやがて福島第一原発から北朝鮮の核兵器にまで繋がる。

原子1個分の大きさは、1億分の1cm程度です。−中略−原子は次の3種類の基本粒子から成り立っており、中性子を除く二つが「電荷」をもっています。
@電子(マイナス電荷をもつ)
A陽子(プラス電荷をもつ)
B中性子(電気的に中性で、電荷ゼロ)
(65頁)

kagaku_genshi.png

(本に掲載されているものをそのまま載せるのもどうかと思ったし自分で描くのも面倒なので「いらすとや」のものを貼っておく。この絵で言うと赤が陽子、黄色が中性子、緑が電子)
真ん中の陽子と中性子というのがあって、これは原子核なのだが、この陽子と中性子がザクロの実みたいに真ん中にギューっと固まっている。
その周りを電子がクルクルクルクルクルと飛んでいる。
これは鉄腕アトムのマーク。
そういうものがあるという。

電子の質量は極端に小さく、陽子や中性子のほぼ2000分の1です(66頁)

これはグルグルグル小さいヤツが原子核の周りを飛んでいる。
この原子はプラスとマイナスで真ん中にあるヤツ。
真ん中のザクロの実というのはプラスとマイナスがビシーっとくっついて電荷ゼロになっている。
全部綺麗にくっついているからプラスにもマイナスにも反応しない。
電荷ゼロの状態。

 電子(マイナス電荷)は原子核の外側を回っていますが、そのいちばん外側の軌道(最外殻軌道)を周回している電子は、原子核に引きつけられる電気引力が弱いために、外部から摩擦などを通してエネルギーを与えられると、すぐに原子から離れてしまうのです。(68頁)

ご存じの通りプラスとプラス、マイナスとマイナスは反発する。
プラスとマイナスは引き合う。
磁石の法則。
あの冬場の静電気の理屈。
私達は原子でできているから急に(ドア)ノブを触るとピリッとくる。

タッチパネルを指で触ると私達の指から電気が出ているから変わる。
これはプラスとマイナス。
あのスマートフォンの画面の中にマイナスならマイナスがびっしり入っている。
それで私達がプラスをやっていると、それがパッ!とスイッチになって、プラスとマイナスで通じ合う。
だからジジイになるとスマートフォンを触ってもタッチパネルが時々反応しない時がある。
爺さんは電力が落ちてきている。
それで触っても反応しなくて「あー!(怒)」と言いながら。
やはり静電気が起きるのは若い時。
「あ!もー!!」とかというのは。
ジジイはそこここ触っても、なんの火花も指から出ない。
よっぽどモモヒキとかあのへんでしっかり電荷を帯びないと。
このへん E=mc2 は遠くにあるようだが近いもの。
タッチパネルのジジイのアレがわかる。
押しても。
(文化放送で)レギュラーをやっている、隣のスタジオにヒゲをはやした大竹まこと。
病気をしてからタッチパネルに触っても反応しない。
「何だよ!バカやろー!(怒)」と言いながら。
武田先生も最近本当にある。
スマートフォンの調べもので「あー!(怒)」と言いながら。
これも実は隠れている物理法則は E=mc2

静電気というものを全てのものが持っている。
ここに目には見えない電荷という力が、物から生き物まで全部ある。
更にもう一つ、この世界にある見えない力。
それが磁力。
NとSで引き合う。

水谷譲の疑問。
ご高齢になると電気を発しなくなるからタッチパネルが鈍くなるという説明だった。
例えば亡くなった人の指をタッチパネルにやったらタッチパネルは動くのですか?
動かない。
やっぱり生きているということは「電気」。

宮沢賢治 『春と修羅』
わたくしといふ現象は
仮定された有機交流電燈の
ひとつの青い照明です


磁力と電気が「場」を持ち、真空も伝わっていく。
そのスピードがまた面白い。
重力と同じ「光の速度」。
重力、磁力、電気は光の速度で宇宙を飛び交っている。

電磁波の真空空間における伝播速度は、光の速度、すなわち秒速30万kmにぴたりと一致したのです。この事実からマクスウェルは、「光は電磁波である!」という結論を導きだしました。
 光には質量(重さ)がありません。電磁波は波であるため、その特徴は波長と振動数という「数値」であらわされます。波長とは、波の山から山(あるいは谷から谷)までの長さであり、振動数とは1秒間に振動する振動回数です(周波数ともいう)。
(110頁)

 実際に電磁波は、振動数の値にしたがって分類・命名されています。振動数の低い側から高い側に向かって、電波、マイクロウェーヴ、赤外線、可視光線(いわゆる光)、紫外線、X線、ガンマ線……と名づけられています。これらはすべて電磁波です。−中略−いずれもまったく同じ速度、すなわち光速度「c」で真空空間を伝播するということです。(111頁)

電磁波は紫外線から生き物の細胞に影響を、ある意味変化を起こすことになる。
だから紫外線を浴びると焼けてしまったりする。
最近は「ガンになるぞ」とかと言う。
つまり細胞に対して変化させる。
だから電子レンジでチンなんていうのも、直接水分子に働きかけて沸騰したりする。
そういう変化と、それから傷付ける場合がある。

重力、電力、磁力は同じ力ながら、電磁力の方が凄まじく強いのです、と。
(この部分の意味は不明。「電磁力」とは「電気力と磁力」のこと)
だから電子レンジでデカいのを作るとあれは武器になる。
電磁波は日本の軍隊が物理学の学者を集めて研究していた。
それは何をやったかと言ったら電磁波光線みたいなのを出す武器を作ってB29に当てる。
電子レンジ。
そういう武器を作ろうとして、やがて家庭用品になったらしいが、最初は武器として登場したらしい。

原子を構成する電子と陽子はマイナスとプラスがあり、電荷があるワケで、磁力が引き合う力が強いので、重力に出会ってもプラスとマイナスはくっついている。
ゆえに原子が出来て、原子、分子、有機物から細胞、生き物、生命体が生まれたワケで「プラスとマイナスは宇宙を創るカラクリの中心です」と。
「何か知んねぇけど、すげぇなー」と思う武田先生。

電子がマイナス。
陽子がプラス。

このうち電子は内部構造をもたず、素粒子そのものです。
 一方、陽子と中性子は素粒子ではありません。どちらにも内部構造があり、ともにさらに基本的な粒子である「クォーク」から構成されているからです。
 陽子も中性子も、三つのクォークから組み立てられています。これらのクォークには2種類あり、「アップクォーク」と「ダウンクォーク」とよばれています。便宜上、アップクォークは「uクォーク」、ダウンクォークは「dクォーク」と書くことにします。
−中略−陽子は二つの uクォークと一つの dクォークからできており、中性子は一つの uクォークと二つの dクォークからできています。−中略−
 そして、陽子や中性子の内部で、これらクォークどうしを強く結びつけているのが秘められた力≠フ一つである「強い力」です。
(121〜122頁)

武田先生が割った割り箸をゴムでガーッと巻いて「ポテンシャルエネルギー」という。
そのポテンシャルエネルギーがここにある。
これはドキドキする。
目にも見えない小さな世界の中で、信じられないぐらい強い力で結ばれているものがある。
ここのものすごい力、エネルギーが隠れている。
このへんからちょっと勘のいい人はもうお感じかなぁと思う。
原子爆弾の理屈はこれ。
目にも見えないものの小さなものの中に、重力にも勝るもの凄いエネルギーが隠れている。
これがいかに凄いか。

posted by ひと at 08:34| Comment(0) | 武田鉄矢・今朝の三枚おろし | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
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