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量子論

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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定説を覆す発見!ビッグバンの7億年後に、あり得ないほど塵の多い初期銀河

 銀河のはじまりとは?

 銀河はどうやってできたのだろうか?銀河の形成は、ビッグバン後の小さな量子的ゆらぎの結果として構造形成理論に従って生じたと考えられている。

 ビッグバン発生から約30万年後、ビッグバン原子核合成といわれる現象により水素とヘリウムの原子核が合成され、さらに自由電子を取り込む再結合をへて元素が形成されたとされる。

 この時点でのほとんどの水素はイオン化されていないため光子の運動に干渉しなかったため、まだ星は形成されず、宇宙は「暗黒時代」と呼ばれる時期にあった。

 この状態に変化を与えたものが、原始的物質の密度の変動(まはた異方性)で、これによりコールドダークマターのハロの中でバリオンの凝集が開始された。このように、初歩段階ではダークマターが先に凝集を始め、そこにガスが集まった構造物が、現在の銀河となったと考えられている。


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なぜ?巨大化するブラックホール!宇宙誕生からわずか9億年、太陽の120億倍

太陽の120億倍、説明不能なブラックホール発見

 ブラックホール (black hole)とは、きわめて高密度で大質量で、きわめて強い重力のために、物質だけでなく光さえも脱出できない天体のこと。

 最近では、銀河の中心に巨大なブラックホールがあることがわかっており、さらに銀河同士の衝突で、ブラックホールが合体し成長するのではないかと考えられている。

 2011年には、米ハワイにあるジェミニ北望遠鏡の観測で、太陽100億個分という、これまでで最大質量のブラックホール2つが近隣の別々の銀河に見つかっている。現在の宇宙において大型ブラックホールがどこにひそんでいるかという謎の一端を明かす成果である。


 

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ハイパーカミオカンデ始動!100万トンの水で、素粒子の謎に挑戦

 「ハイパーカミオカンデ」目指す 国際研究グループ発足

 素粒子観測装置スーパーカミオカンデ(岐阜県飛騨市)を約20倍に大型化した「ハイパーカミオカンデ」計画の具体化を目指し、日米英など13カ国の研究者らでつくる国際共同研究グループが先月31日、結成された。ニュートリノや陽子など素粒子研究の飛躍的発展を目指すという。

 研究グループによると、ハイパーカミオカンデは、内側に約10万個の高感度光センサーがある100万トン級の水槽を備え、ニュートリノなどを観測する計画。約1万1千個のセンサーを5万トンの水槽に備えるスーパーカミオカンデ100年分のデータを、5年で得られるという。

 事業費は約800億円、2018年ごろに着工、25年の実験開始を目指している。計画が進めばニュートリノと、その反粒子である反ニュートリノの違いの測定や、世界初の陽子の崩壊の発見が期待される。宇宙の成り立ちの解明につながるという。


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光からスピン流を生成する新原理発見!表面プラズモンからマグレノンを誘導

 電子のもつスピンの波「マグレノン」

 新しい電子工学の必要性が10~20年前から叫ばれている。磁性材料を使うスピントロニクスもそのひとつだ。私たちの身の回りにあるスマートフォンやパソコンといった電子機器は電流により動作している。

 しかし、金属や半導体に電流を流すと、物質の持つ電気抵抗に由来するジュール熱と呼ばれるエネルギー損失が発生します。電流を利用する限りこのような多大なエネルギー損失を避けることは原理的に不可能であり、最近の電子デバイスの開発における深刻な問題となっている。

 このような状況を根本的に打開する方法として、電子の電気的性質(電荷)の流れである電流の代わりに、電子の磁気的性質(スピン)の流れである「スピン流」に基づく電子技術に関する研究が世界中で進められている。

 スピン流は、波として伝わることで電流を流さない絶縁体中でも利用できるという重要な性質を持っており、このようなスピンの波は「マグノン」と呼ばれている。


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電子軌道の「量子ゆらぎ」による、新しい超伝導を発見!常圧下でクーパー対形成

 超伝導の鍵をにぎる「量子ゆらぎ」

 超伝導は興味深い現象である。特定の金属や化合物などの物質を非常に低い温度へ冷却したときに、電気抵抗が急激にゼロになる現象である。

 超伝導は1911年にカマリング・オネスにより発見されたが、約半世紀もの間、そのメカニズムは謎のままであったが、BCS理論により超伝導は電子と電子が「のり」によって対になることにより生じることが初めて明らかにされた。

 超伝導は二つの電子が「電子対」(クーパー対)を組んで運動することで実現することがわかった。この功績によりバーディーン、クーパー、シュリーファーの三人は1972年にノーベル物理学賞を受賞した。


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超伝導の直前現象“超伝導ゆらぎ”による巨大熱磁気効果(100万倍)を発見!

 超伝導の前駆現象「超伝導ゆらぎ」

 超伝導はおもしろい現象である。、特定の金属や化合物などの物質を非常に低い温度へ冷却したときに、電気抵抗が急激にゼロになる現象。

 超伝導は1911年にカマリング・オネスにより発見されたが、約半世紀もの間、そのメカニズムは謎のままであったが、BCS理論により超伝導は電子と電子が「のり」によって対になることにより生じることが初めて明らかにされた。

 超伝導は二つの電子が「電子対」(クーパー対)を組んで運動することで実現することがわかった。この功績によりバーディーン、クーパー、シュリーファーの三人は1972年にノーベル物理学賞を受賞した。


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初期宇宙の謎を探る!背景放射のBモード偏光で重力レンズ効果捉えた

 世界初、重力レンズ効果による偏光Bモードを観測

 宇宙最古の光である宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の、偏光観測の結果だけに基づいて、重力レンズ効果による偏光パターンが世界で初めて測定された。測定が可能であることを実証した今回の成果は、将来の原始重力波の観測やニュートリノ質量和の精密測定につながると期待される。

 宇宙マイクロ波背景放射(CMB)は、138億年前に発せられた「宇宙最古の光」だ。宇宙のどの方向にも一様に観測される電磁波が、宇宙の誕生と進化、その背後にある物理法則の謎を解く鍵を握っていると考えられている。特にCMBの偏光(光の振動の向き)を観測して、「偏光Bモード」と呼ばれる特殊な渦状のパターンを調べることが重要視されている。

 カブリIPMUや高エネルギー加速器研究機構(KEK)などが参加する国際研究チーム「POLARBEAR実験」は、南米チリにある口径3.5m望遠鏡と最先端の超伝導検出器を用いて、「小さな渦の偏光Bモード」を99.999%以上の確率で世界で初めて観測することに成功した。


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ノーベル賞予測で理研の十倉好紀氏が候補に!マルチフェロイック物質とは?

 ノーベル賞予測で再び理研の十倉好紀氏

 国際的な学術情報企業のトムソン・ロイターは9月25日、ノーベル賞発表に先駆け、「トムソン・ロイター引用栄誉賞」(ノーベル賞受賞者予測)を発表した。十倉好紀(とくら よしのり)理化学研究所創発物性科学研究センター長(併任・東京大大学院工学系研究科教授)ら9カ国の27人を選んだ。

 十倉氏は「新しいマルチフェロイック物質の発見」の功績で、2度目の選出になった。マルチフェロイックは強磁性、強誘電性、強弾性などの性質を複数有する物質系で、新しい物質の開拓やデバイスへの応用が期待されている。この新しい化合物を見ると、物質にはまだまだ無限のな可能性があることを示していると思う。

 十倉氏は2002年にも「超伝導化合物の発見を含む、強相関電子酸化物に関する傑出した研究、および巨大磁気抵抗現象に関する研究」で選ばれている。同賞が02年に恒例化して以来、ひとりの研究者が異なるテーマで2回選出されるのは初めて。十倉氏の極めてアクティブな研究活動を印象づけた。



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重元素化合物に“まだらに凍る電子”を発見!世界初“偏在する電子”とは?

 重元素化合物にまだらに凍る電子を発見

 まったく新しい物性を示す化合物が見つかった。重元素イッテルビウム(Yb)化合物で、極低温の環境で磁場が低いと、まだら模様に電子が凍るような現象が起きることを、日本原子力研究開発機構原子力科学研究部門の神戸振作グループリーダーらが発見した。

 極低温で磁場に伴って起こされる特異な電子状態で、今までに観測されたことのない現象の予想外の発見だった。理論と実験の両面に刺激を与え、新しい材料開発にも道を開く成果といえる。フランス原子力庁グルノーブル研究所との共同研究で、9月22日の英科学誌 ネイチャーフィジックスのオンライン版に発表した。

 水を冷やすと凍って氷となるように、低温では物質の中の電子は、いわば凍って超伝導などのさまざまな状態をとる。希土類でレアアースのイッテルビウムとロジウム、ケイ素の化合物であるYbRh2Si2は、極低温で磁場によって電子状態が大きく変わることがドイツのグループによって最近報告され、注目されていたが、詳しい変化は謎だった。


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我々の宇宙は何処に?天の川銀河が属する超銀河団「ラニアケア」を発見!

 私たちの宇宙は何処に?

 私たちの“地球”は、宇宙のどこにあるのだろう?もちろん地球は太陽系の第3惑星であるが、広い宇宙から見るともっともっと広い星の集団に属していることがわかっている。

 すなわち、地球は太陽系に、太陽系は銀河系に含まれている。さらに銀河系は銀河団に所属し、さらに超銀河団に所属することがわかっている。最近では、さらに大きな集団の存在も知られている。

 超銀河団に含まれる銀河は、宇宙の糸に通されたビーズのように連なっている。それぞれの糸が、グレート・アトラクター(大重力)へと繋がっている。銀河系は、これらの糸のうちの1本の端にあり、ローカルボイド(超空洞)の縁に位置する。ローカルボイド(超空洞)とは、その名の通り、ほとんど何もない空間だ。


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超新星残骸の近くに見つかった、強磁性天体「マグネター」とは何か?

 宇宙の持つ広大な可能性

 宇宙は広い。空間的な広さもそうだが、あらゆる可能性を秘めている。可能性の広さがすごい。例えば、原子が物質の最小の単位だと思われたが、さらに小さい粒子の集まりだということも、宇宙を観察することで発見された。

 小柴 昌俊氏が、1987年、自らが設計を指導・監督したカミオあカンデによって、観測に成功した「ニュートリノ」もその一つ。この成果により小柴氏は、2002年にノーベル物理学賞を受賞した。

 今回、宇宙で発見されたのは、欧州のX線天文衛星「XMMニュートン」が超新星残骸をとらえた画像に写っていた、ひじょうに強力な磁場を持つ中性子星「マグネター」。まだ、全宇宙で12個しか確認されていない。


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これは不思議?-88℃で電導性と磁性が切り替わる有機物開発!

 まったく新しい有機化合物誕生

 東京大学でまったく新しい有機化合物(有機物)が開発された。温度を変えると、電気伝導性と磁性を同時に切り替えることができる新しい物質だ。この性質を利用すると、熱による新しいスイッチングが可能になる。

 有機化合物(有機物)は、炭素を含む化合物の大部分をさす。ただし例外として、炭素を含む化合物でも一酸化炭素、二酸化炭素、などの単純なものは慣例として無機化合物と分類し、有機化合物には含めない。

 有機物には、生物がつくる、炭水化物、脂肪、蛋白質、ビタミンなどの天然物質、それ以外にプラスチックなどの高分子化合物や医薬品なども含まれる。

 一般に身の回りのプラスチックなどの有機化合物は、電気を流さない絶縁体として考えられてきた。ところが1975年、白川英樹博士が伝導性プラスチックを発見してから常識は一変した。


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可視光でアンモニア人工光合成に成功!金微粒子の表面プラズモン共鳴

 アンモニアは重要な工業品材料

 アンモニアというと、強烈な刺激臭があり、あまりよいイメージはない。タンパク質やアミノ酸が微生物によって分解されるとアンモニアが発生する。

 虫さされのときに塗るキンカンなどには、9.5–10.5% のアンモニア水溶液が含まれる。また最近ではフロンに代わる、冷却剤として用いられる。フロンに比べオゾン層を破壊しないからだ。

 アンモニアは硝酸などの基礎化学品、硫安などチッソ肥料の原料となるため、工業的にきわめて重要な物質だ。アンモニアはどうやってつくられるのだろう?

 アンモニアの合成法というと、古くからハーバー・ボッシュ法によるものが一般的だ。水素と窒素を鉄触媒存在下 20 MPa、500℃ で反応させると、アンモニアが生成する。


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微小世界に主虹と副虹発見!原子核の世界で生じる核虹とは何か?

 微小な世界にも主虹と副虹

 虹とは何だろう?赤から紫までの光のスペクトルが並んだ、円弧状の光である。太陽の光が、空気中の水滴によって屈折、反射されるときに、水滴がプリズムの役割をするため、光が分解されて、複数色(日本では七色とされる)の帯に見える。

 ところで、はっきりとした虹の外側に、副虹と呼ばれるうっすらとした虹が見られることがある。主虹は、赤が一番外側で紫が内側という構造をとるが、副虹は逆に、赤が内側、紫が外側となる。

 主虹は、「太陽」-「プリズムとなる水滴」-「観察者」のなす角度が40~42度となる位置に見られる。このため、虹は太陽の反対側に見られ、太陽が高い位置にあるときは小さな虹が、夕方など太陽が低い位置にあるときは大きな虹が見られる。また、副虹は、「太陽」-「プリズムとなる水滴」-「観察者」のなす角度が51~53度となる位置に見られる。 


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ミュオンがとらえる新しい世界!ミュオグラフィー、非破壊元素分析法とは何か?

 ミュオンとは何か?

 ミュオンというと、素粒子標準模型における第二世代の荷電レプトンである。ミュー粒子(ミューオン)ともいう。発見当初はその質量が湯川秀樹によって提唱された核力を媒介する粒子である中間子と非常に近かったため、ミュー中間子と呼ばれていた。

 しかし、ミュー中間子は核力を媒介しないことが分かり、中間子の性質を持たないことが判明した。1942年、坂田昌一、谷川安孝および井上健は、中間子とミュー粒子は別種であり、中間子はミュー粒子より重く、中間子が自然崩壊してミュー粒子に変化するという二中間子説を提唱した。

 1947年、セシル・パウエルらによりパイ中間子が発見されたことで湯川の中間子説および二中間子説が正しいことが証明され(実際には、反パイ中間子がミュー粒子に崩壊する)、湯川秀樹はノーベル物理学賞を受賞したのはあまりに有名。


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