サイエンスジャーナル

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量子論

真空は真の空ではなかった?未発見の量子効果「真空の複屈折」を中性子星の周りで初観測!ハイゼンベルグが予言

 真空は本当に何もない状態か?

 真空とは何だろうか?古典論において、真空は「何も無い状態」である。しかし、本当に何もない状態があるのだろうか?量子論における真空は、決して「何もない」状態ではない。例えば常に電子と陽電子の仮想粒子としての対生成や対消滅が起きている。

 また、最近ではヒッグス粒子がこの世界を一様に覆っているため「質量」が存在することが証明されたが、そう考えると、真空中でもヒッグス粒子は存在する。 ポール・ディラックは、真空を負エネルギーを持つ電子がぎっしりと詰まった状態(ディラックの海)と考えていたが、後の物理学者により、この概念(空孔理論)は拡張、解釈の見直しが行われている。

 今回、強力な磁場を持つ超高密度天体である中性子星の観測から、80年前に予測された量子効果「真空複屈折」の証拠となる現象が初めて観測的に示されたとする研究成果が発表された。


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ついに光から物質ができちゃった?光子と人工原子から成る安定な分子状態を発見!量子技術分野に応用可能

光子は力を媒介とするゲージ粒子

 光の粒子「光子」。光の実体を「粒」とする粒子説と「波」とする波動説の論争は、干渉実験などで波動説が優位に立ったが、1905年、A.アインシュタインは、光を受けた物質が電子を出す光電効果を、光を1粒、2粒と数える光量子の考え方で説明した。量子力学は「光は粒子であり、波である」とみる。1粒のエネルギーは、振動数ν(ニュー)の光でhν(hはプランク定数)。質量はゼロ。スピンは1。

 光子はまた、力を媒介する基本粒子(ゲージ粒子)としての性質がある。例えば物質に力を加えると物質内の電子が移動する。それが元に戻ろうとするときに光子を生じる。核分裂反応や核融合反応では、粒子と粒子がぶつかり合い、新しい元素が多量に生じる。この時、電子の位置が激しく遷移するので光子も多量に発生する。これが太陽エネルギーの源である。

 これまで、物質から光子を取り出すことはできたが、光子から物質を造ることには成功していなかった。今回、国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT)は、日本電信電話株式会社(NTT)、カタール環境エネルギー研究所(QEERI)と共同で、超伝導人工原子とマイクロ波光子の相互作用の強さを系統的に変え分光実験を行った結果、人工原子に光子がまとわり付いた分子のような新しい最低エネルギー状態(基底状態)が存在することを発見した。


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宇宙に存在する不思議な天体「99.99%がダークマターでできた銀河」発見!ダークマターの正体は?

宇宙は不思議で満ちている

 宇宙は不思議で満ち溢れている。まず、宇宙に果てがあるのかないのか、宇宙はどのような構造になっているのか分かっていない。

 宇宙には謎の天体や謎の現象がたくさんある。太陽が燃えている現象「核融合」。理屈は分かっているのだが、地球上ではなかなか再現できない。これができればエネルギー問題は解決するかもしれない。

 超新星爆発や、ブラックホール、本当にそんな質量になるのか?と思ってしまう白色矮星や中性子星、そして重力レンズ効果、ニュートリノや重力波が観測されたのも宇宙だ。


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「反物質」が消えた謎に迫る手がかり発見か?ニュートリノと反ニュートリノ に「CP対称性の破れ」

 反物質とは何だろう?

 反物質とは、質量とスピンが全く同じで、構成する素粒子の電荷などが全く逆の性質を持つ反粒子によって組成される物質。例えば電子はマイナスの電荷を持つが、反電子(陽電子)はプラスの電荷を持つ。中性子と反中性子は電荷を持たないが、中性子はクォーク、反中性子は反クォークから構成されている。

 反物質は、ダン・ブラウンの小説「天使と悪魔」で、ごく微量でも大規模な爆発を起こす爆弾の材料として登場する。反物質と物質が衝突すると対消滅を起こし、質量が大量のエネルギーとなって放出される。例えば、1gの質量は約 9×10000000000000(90兆)J(ジュール) のエネルギーに相当する。ただし 発生するニュートリノが一部のエネルギーを持ち去るため、実際に反物質の対消滅で発生するエネルギーは、これより少なくなるといわれる。

 反物質についての一番の謎は、宇宙が誕生したときの「ビッグバン」でできた「物質」と反対の性質をもつ「反物質」が、なぜ「反物質」の方だけ、ほとんど消えてしまったかがわからないということである。


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世界初!白色矮星のパルサー発見!白色矮星が赤色矮星を「攻撃」する奇妙な連星

奇妙な連星を発見

 連星(binary star)というと、2つの恒星が両者の重心の周りを軌道運動している天体である。通常は明るい方の星を主星、暗い方を伴星と呼ぶ。また、3つ以上の星が互いに重力的に束縛されて軌道運動している系もある。

 夜空に輝いている星のうち約25%、生まれたばかりの星については半分以上が連星だといわれている。つまり、宇宙にある恒星は、誕生の時点では半分以上、成熟した時点でも4分の1くらいが連星系をなしているという。最近は連星の中でも惑星が存在することが明らかになっている。2つの恒星がペアを成す連星の周囲を公転する惑星を「周連星惑星」という。

 今回、また変わった連星が発見された。それは白色矮星と赤色矮星の連星で、光速に近い電子のビームを白色矮星が相棒の赤色矮星に向けて放ち、まるでむちで攻撃しているかのような様子が明らかになった。「さそり座AR星」という。どんな連星だろうか?


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自然界の第5の力、発見か?「ダークフォトン」を探す実験で、異常な放射性崩壊を発見!

 4つの力とは何か?

 自然界にたくさんある力はすべて、4種類の力のいずれかに分類することができる。その4つの力とは「重力」「電磁力」「弱い力」「強い力」である。それぞれの力には、その力を媒介する(伝える)粒子があり、それをゲージ粒子という。

 4つの力を説明していくと、まず「重力」は、あらゆる粒子に働く力である。日頃、私たちも重力の影響を受けているが、この力は、他の3つの力に比べて非常に弱いものだ。ニュートンの発見した「万有引力の法則」は、この重力の法則である。重力のゲージ粒子は、重力子(グラビトン)とされるが、これは未知の素粒子である。

 次に「電磁力」は、電気をおびた粒子に対して働く力である。原子同士を結んで分子をつくったり、原子核と電子を結びつけて原子をつくったりする。 マクスウェルの電磁気学は、この力を理論化したものだ。電磁力のゲージ粒子は、光子(フォトン)である。


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銅酸化物高温超伝導体のメカニズムを発見! 隠れ電子のつくる「複合フェルミオンペア」

 超電導とCBS理論

 超電導といえば、物質を低温に冷やすと電気抵抗が0になる現象である。1911年、カマリン・オンネスによって発見された、その後多くの研究者の注目を浴び、数多くの実験的、理論的研究がなされた。しかしながら、実験面では多くの成果が得られた半面、理論的な面での解明は遅々として進まなかった。

 1950年には超伝導体の同位体で転移温度が異なることが発見された。これに着目したJ.バーディーン(当時、ベル研究所、のちにイリノイ大学教授)は、直感的にフォノン(抵抗の微視的単位)に超伝導の原因があるとし、研究を進めた。

 1956年バーディーンがイリノイに招聘したL.クーパーが、フォノンを媒介とする電子対ではエネルギーが下がることを発見した。続いて、J.バーディーン教授の大学院生であったJ.シュリーファーが超伝導状態を表す波動関数を導いて、解明の土台を築いた。


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グーグルとNASAが「量子コンピュータ」をすでに開発していた!想定外のシステム「量子アニーリング」

 量子コンピュータがすでに完成?

 今年の初め、ネットに驚くべきニュースが流れた。その一つが「重力波が発見されたかもしれない」というものだった。もう一つは「グーグルとNASAが量子人工知能を開発」したというものである。

 カナダのD-Waveという会社がつくった量子コンピュータで、その速さは、既存のパソコンの1億倍の速度があるという。D-Waveは、グーグルとNASA、ロッキード・マーティン社などが共同して設立した会社である。

 量子コンピューターといえば、既存のパソコンと違う計算方法を使って計算速度を速めるため、「未来のコンピューター」として期待されてきた。


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理研、陽子内部の「グルーオン」の向きを精密測定!素粒子「グルーオン」とは何か?

 注目される素粒子物理学

 梶田隆章氏が「ニュートリノ」に質量があることを発見してノーベル賞を受賞してから、素粒子の世界が注目されている。そういえば2013年のノーベル物理学賞も「ヒッグス粒子」の発見であった。

 物理学において素粒子(elementary particle)とは、物質を構成する最小の単位のことである。つまり、素粒子とは「物質を細分化していって、最後にたどりつく究極の粒子」のことである。

 かつては原子を「アトム」つまり究極の物質と考えていた。 だが原子は原子核と電子で構成され、さらに原子核は陽子と中性子に分けられる。


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スピンを操作して、質量のないディラック電子に質量を与えることに成功!

 注目される素粒子物理学

 梶田隆章氏が「ニュートリノ」に質量があることを発見してノーベル賞を受賞してから、素粒子の世界が注目されている。そういえば2013年のノーベル物理学賞も「ヒッグス粒子」の発見であった。

 最近、日本で初めて造ったことが認められた「113番目の元素」もそうだ、この元素は加速器を使い、原子番号30番の亜鉛と83番のビスマスの原子核をぶつける方法でつくられた。しかし、せっかくつくった元素も、放射線を出してすぐに崩壊してしまう。

 素粒子の世界では、不思議なことがたくさん起こる。これらを、昨年亡くなった南部陽一郎氏は「自発的対称性の破れ」という理論で説明した。


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これは驚いた!猛毒硫化水素が、-70℃で超伝導に!高温超電導物質の最高記録を更新

 硫化水素の不思議

 硫化水素(hydrogen sulfide)というと化学式 H2S をもつ硫黄と水素の無機化合物。無色の気体で、腐卵臭を持つ。目、皮膚、粘膜を刺激し、空気中にわずか 0.1~0.2 %存在するだけで、ヒトは即死する有毒な気体である。

 悪臭防止法に基づく特定悪臭物質のひとつになっている。噴火口や硫黄泉などの臭いが「硫黄の臭い」と形容される場合があるが、硫黄は無臭であり、これは硫化水素の臭いをさしている。また硫化水素は独特の臭気があるが嗅覚を麻痺させる作用もあり、高濃度で匂いを感じなくなる。従って濃度が致死量を超えていても嗅覚で知覚できないケースもある。知らずに近づいた登山者やスキー客・温泉客が死亡する例も見受けられる。

 しかし、意外なことに最近は硫化水素の健康作用が報告されている。硫化水素は腎臓で作られ、血管の掃除、炎症の軽減、高血圧の緩和など体内のいろんな部分で様々な重要な役割を果たす。硫化水素には、抗酸化作用もあり、老化や加齢疾患に対抗するための非常に有効な武器となるという。


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ダークマターの正体は中間子か?新理論で南部・湯川粒子と酷似するSIMP粒子

 ダークマター(暗黒物質)の正体に新説

 宇宙の80%を占める存在、ダークマターの正体は謎である。

 ダークマターの正体については、ブラックホールや惑星などの天体説、ニュートリノ、ニュートラリーノ、アキシオン、ミラーマター、グラビティーノなど様々な粒子説があげられている。 今回、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙機構(Kavli IPMU)の研究チームが新しい説を提唱した。それはSIMPという粒子。

 これまで、ダークマター同士は互いをすり抜け反応しないと考えられていたが、SIMP粒子は、パイ中間子が相互作用するのと同種の強い相互作用をする。


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素粒子理論の巨人、南部陽一郎さん逝く ひも理論、量子色力学、自発的対称性の破れなど

 「物質の根源」生涯追う 素粒子理論リード

 20世紀の素粒子理論をリードし、「物理学の予言者」と呼ばれた米シカゴ大名誉教授の南部陽一郎さんが7月5日に死去した。「モノにはなぜ質量があるのか」――。物質の根源を問うテーマを、生涯追い続けた。

 「質量の起源」を解き明かすため、1960年代初めに「自発的対称性の破れ」というアイデアを提唱。素粒子理論の世界にとどまらず、ほかの物理にも大きな影響を及ぼした。

 ノーベル賞を受賞したのは2008年、87歳のときだった。同時受賞した京都産業大教授の益川敏英さんは受賞後の会見で「これまでずっと仰ぎ見ながら研究してきた南部先生と一緒に受賞できるのは、最大の喜びです」と声を震わせ、涙をぬぐった。


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量子ビットデバイス誕生か?微小磁石が量子力学的に振る舞うことを発見!

 待ち遠しい量子情報の制御技術

 量子情報とは、0と1からなる2進数の「ビット」を基本単位とするような古典力学的な状態で表される従来の情報(古典的情報)に対して、0と1の みならず0と1の任意の重ね合わせ状態を取ることができるような量子力学的な状態で表される情報を指し、量子2準位系の状態 で記述される「量子ビット(qubit)」を基本単位とする。

 量子ビットを記憶し、それを利用した情報処理を実行できるデバイスを量子ビット素子という。量子ビットでは、通常のビット表現0,1に加え、それらの量子的重ね合わせ状態が利用されるため、ノイマン型に代表される従来の計算機とは全く異なるアルゴリズムや計算機アーキテクチャを構築できる。こうした計算機は量子計算機と呼ばれ、量子ビット素子はその基幹部に対応する。

 マグノン(magnon)は、結晶格子中の電子のスピンの構造を量子化した準粒子である。一方、結晶格子中での原子やイオンの振動を量子化した準粒子は、フォノンという。量子力学における波の描像では、マグノンはスピン波を量子化したものと見なすことができる。準粒子として、マグノンは一定の量のエネルギーと格子運動量を運搬する。プランク定数を2πで割ったディラック定数のスピンを持つ。


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かみのけ座銀河団中に800個以上の「超暗黒銀河」!ダークマター99%?謎の銀河

 謎の暗黒銀河が大量に発見される!

 ニューヨーク州立大学および国立天文台の研究者からなる研究チームは、すばる望遠鏡アーカイブデータを解析し、かみのけ座銀河団の中に854個もの「超暗黒銀河」が存在することを発見した。

 「超暗黒銀河」とは、ちょっと聞いたことのない銀河だが何だろうか?

 調べてみると、「暗黒銀河(Dark galaxy)」とは、恒星をほとんど、あるいは全く含まず、ダークマターにより支えられている銀河で、ガスや塵も含むと考えられている謎の銀河だ。

 最近まで、暗黒銀河の存在は確認されていなかった。ブラックホールと似て、暗黒銀河は星をほぼ含んでいないため、光をほとんど出さないからだ。長い間、暗黒銀河の存在を検証するための新技術の研究が続けられてきた。

 2012年7月 スイス・チューリッヒ工科大学の研究者の手で世界で初めて12個の暗黒銀河が発見された。その方法は、近傍にある明るいクエーサーからの紫外線によって、光る暗黒銀河のガスを観測する方法であった。


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量子もつれが、時空を形成する仕組みを解明!予言、透視能力、異次元旅行も?

 不思議を解明するのが科学

 予言(prediction)とは、ある物事についてその実現に先立ち「あらかじめ言明すること」。 神秘的現象としての「予言」は、その中でも合理的には説明することのことのできない推論の方法によって未来の事象を語ることを指し、占星術やチャネリングと同じく疑似科学の領域の話題として扱われることが多い。

 一方、預言(prophecy)は、自己の思惑に拠らず、啓示された神の意思。あるいは解釈して神と人とを仲介する者が語る言葉である。 しばしば宗教的指導者の果たす人の言葉である。ユダヤ教、キリスト教、イスラーム、バハーイー教において預言者が語る言葉は預言とされている。

 予言にしても預言にしても遙か彼方の事象を知ることは共通しており、この謎を解く鍵は、“量子もつれ”にあると思う。

 NHKスペシャルの「超常現象 科学者たちの挑戦」(2014年3月22日放送)では“量子もつれ”を使ってテレパシーの説明をしているのが興味深かった。


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宇宙の謎「コールドスポット」の正体は?13億光年の空間“スーパーボイド”だった!

 直径13億光年の何もない空間

 宇宙全体はどのような構造になっているのだろう?夜空をながめるとそんな疑問がわいてくる。

 宇宙には無数の星があり、星々が多数集まって銀河を形成している。銀河は数百から数千集まって銀河群、銀河団を形成している。この銀河群や銀河団が更に集まって超銀河団を形成しているが、この超銀河団は平面状の壁のような分布を示している。この巨大な壁をグレートウォールあるいは銀河フィラメントと呼ぶ。

 1980年代になって、1枚の銀河フィラメントと他の銀河フィラメントとの間には光を発する天体がほとんど無い領域があることが明らかになった。これを超空洞(ボイド)と呼び、その直径は1億光年を超える。


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私たちは巨大ブラックホールの衝突を目撃する!超巨大ブラックホールはどこまで成長?

 超巨大ブラックホールの成長

 銀河を観測すると、1000万程度の星で成り立つ矮小銀河から、100兆個の星々を持つ巨大な銀河まである。これら星々は恒星系、星団などを作り、その間には星間物質や宇宙塵が集まる星間雲、宇宙線が満ちている。ほとんどの銀河では質量の約90%をダークマターが占める。

 現在では明るい銀河の大部分は超大質量ブラックホールを持っているが、そのうちの多くは質量があまり多く降着せず、活動的でないと考えられている。これは、いくつかの銀河で見つかる活動銀河の根源的な動力と考えられ、銀河系もこの一例にあたると思われる。また、球状星団や矮小銀河の中心に大質量のブラックホールがあるかどうかははっきり分かっていない。

 ブラックホールはどこまで成長するのだろうか?やがて宇宙全体がブラックホールに吸収されることになるのだろうか?


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周期律表のパズル一つ解明!アクチノイド元素群は103番元素「Lr」で終了

 ローレンシウム

 ローレンシウム (lawrencium) は原子番号103の元素。元素記号は Lr。アクチノイド系列最後の元素。超ウラン元素である。安定同位体は存在せず、半減期もほとんどの同位体で3分未満と短い。一番半減期が長いのはローレンシウム262(半減期3.6時間)である。

 ローレンシウムは重イオン線型加速器で、カリホルニウムから生成される。同位体に関しては、ローレンシウムの同位体を参照。

 1961年カリフォルニア大学バークレー校のギオルソ (A.Ghiorso) らにより、カリホルニウム(249Cf、250Cf、251Cf、252Cf の混合物)に重イオン線型加速器で加速したホウ素(10B または 11B)を照射して人工的に作られた。


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およそ110億年前、大量に見つかった原始銀河団!初期宇宙の謎に迫る

 大量に見つかった原始銀河団の候補

 赤外線天文衛星「ハーシェル」と宇宙背景放射観測衛星「プランク」による観測から、私たちが今日目にしている巨大銀河団の前身と言えそうな原始銀河団の候補が200個以上も発見された。
 ビッグバンから138億年経った現在の宇宙では、大半の銀河は数百、数千個の集団で存在している。宇宙がまだずっと若かったころ、こうした銀河団のような巨大な構造はどのようにして作られ、進化してきたのだろうか。

 欧州の赤外線天文衛星「ハーシェル」と宇宙背景放射観測衛星「プランク」の観測によって、宇宙が30億歳だったころの天体が複数発見された。これらは、私たちの銀河の近傍にある、つまり現代に近い銀河団の、前身と言えそうな天体だ。

 プランクは遠赤外線や電波までの9種の波長で全天を観測し、天の川銀河や他の銀河からの放射を調べた。これらはビッグバンの痕跡である宇宙マイクロ波背景放射(CMB)観測の際にノイズとなるもので、プランクの本来の目的からすると「差し引く」べきデータだが、その中から初期宇宙のものとみられる234の天体が見つかった。


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