サイエンスジャーナル

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物理

熱い熱い系外惑星を発見、4,300度で史上最高!大気は「分子」が分解して「プラズマ」状態?

 ホットジュピターとは?

 ホット・ジュピター(Hot Jupiter) は、木星ほどの質量を持ちながら、主星の恒星から、わずか0.015au(224万km)から0.5au(7480万km)しか離れておらず、表面温度が非常に高温になっている太陽系外惑星の分類の一つである。恒星に極めて近く、強烈な恒星光を浴びるため表面温度は高温になっていると予想されている。「ホット・ジュピター」は直訳すれば「熱い木星」となるが、このような特徴に由来したものである。この種の系外惑星は1995年頃から続々と発見されつつある。

 主星に近く、質量が大きく、高速で公転しているため、惑星に重力による、主星のわずかな揺れを検出するドップラー分光法での発見が最も簡単なタイプである。最もよく知られているホット・ジュピターはペガスス座51番星bである。ペガスス座51番星は、太陽に似た恒星を、わずか4日間で公転しており、1995年に発見された。

 他にも、離心率の大きい彗星のような楕円軌道を描き、灼熱期と極寒期をめまぐるしく繰り返す巨大惑星エキセントリック・プラネットも発見されている。両者はこれまでに発見された太陽系外惑星のうち大半を占めているが、後者の方が圧倒的に多い。いずれも、我々の太陽系の惑星からは想像もつかない惑星である。


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ブラックホールに新しい解釈、相対性理論を破綻させる「裸の特異点」は異次元の世界でなら存在可能か?

 ブラックホールの中はどうなっているのだろう?

 ブラックホール(black hole)とは、極めて高密度かつ大質量で、強い重力のために物質だけでなく光さえ脱出することができない天体である。質量が太陽の約30倍以上ある恒星が寿命を迎えるとき、自己重力が中性子の核の縮退圧を凌駕(重力の強さで中性子が潰れ始める)するため、超新星爆発の後も核が収縮(重力崩壊)を続ける。この段階になると星の収縮を押し留めるものは何も無いため永久に縮み続ける。こうしてシュバルツシルト面より小さく収縮した天体がブラックホールである。

 ブラックホールは2つの部分からなる。中心には「特異点」が存在し、星を構成していたすべての物質がこの無限に小さな点に押し潰されている。特異点の周囲には、そこからの脱出が不可能な空間が広がっており、その空間の境界は「事象の地平線(事象地平)」と呼ばれる。ひとたび事象地平を越えたが最後、再び出てはこられない。ブラックホールに落ちていく物体が放つ光さえもがつかまってしまうので、外側にいる観察者は二度とその物体を見ることができない。物体は落ち続け、特異点に達して押し潰される。

 しかし、この描像は本当に正しいのだろうか? 既知の物理法則によれば、特異点ができるのは確かだが、事象地平についてははっきりしない。大部分の物理学者は、事象地平が科学上の不都合を覆い隠してくれる“イチジクの葉”として非常に魅力的だという理由だけで、事象地平が形成されなければならないという仮定の下に研究を進めている。


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日本版GPS衛星「みちびき」打上げ成功!スマホでも利用GPSの仕組みとは?誤差がわずか数センチに

 日本版GPS衛星「みちびき」を打ち上げ成功

 スマートフォンやカーナビなどで利用されている、位置情報システムの性能を飛躍的に高める日本版GPS衛星の「みちびき」が、6月1日午前9時17分、鹿児島県の種子島宇宙センターからH2Aロケットの34号機で打ち上げられた。「みちびき」は、打ち上げのおよそ29分後、午前9時46分ごろに、高度275キロ付近で切り離された。

 日本版GPS衛星の「みちびき」は、アメリカのGPSと同じように、スマートフォンなどの携帯端末で位置情報を得られる衛星で、1つの機体が1日あたり8時間程度、日本付近の上空にとどまる特殊な軌道を飛行する。

「みちびき」は、今回も含めて、ことし中に合わせて3機が打ち上げられる計画で、7年前に試験的に打ち上げられた1機と合わせて、4機体制が整えば、常に1機以上が日本付近の上空を飛行するようになり、来年の春にも実用化する予定だ。


 

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NTT、"マクスウェルの悪魔"の再現に成功!熱ノイズを巧妙に利用したトランジスタで電流が流れる

 マクスウェルの悪魔とは?

 マクスウェルの悪魔(Maxwell's demon)とは、1867年ごろ、スコットランドの物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルが提唱した思考実験、ないしその実験で想定される架空の、働く存在である。マクスウェルの魔、マクスウェルの魔物、マクスウェルのデーモンなどともいう。 分子の動きを観察できる架空の悪魔を想定することによって、熱力学第二法則で禁じられたエントロピーの減少が可能であるとした。 熱力学の根幹に突き付けられたこの難問は1980年代に入ってようやく一応の解決を見た。

 結論からいうと、それは「マクスウェルの悪魔は存在しない」というものだった。熱自体はエネルギーとして認められているものの、一度混ざってしまったお湯を熱いお湯と、ぬるいお湯に分けることなど普通は不可能だ。熱の正体は分子の運動量の大小に置き換えられるが、運動量の大きな分子だけを選り分けることができれば、熱いお湯をつくり出すことができる理屈だが、個々の分子の運動量を測定して、選り分けるのにエネルギーを必要とするからだ。そんな、永久機関のような「マクスウェルの悪魔は自然界に存在しないだろう」と考えられていた。


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太陽質量の1.6億倍?銀河中心から移動する超大質量ブラックホール発見!重力波の反動で飛び出した模様

 成長するブラックホール

 質量が太陽程度から太陽の数倍までの星の場合には、主系列星の後に赤色巨星の段階を経て、白色矮星となり次第に冷却して一生を終える。星が若い間は、水素の原子核が互いに結合してヘリウムが生まれる。この時のエネルギーによって星は自らの大きさを支えている。

 質量が太陽の約8倍よりも重い星の場合は、巨星に進化した後も中心部で核融合によって次々に重い元素ができ、最終的に鉄からなる中心核が作られる。鉄の原子核は結合エネルギーが最も大きいため、これ以上の核融合反応は起こらず、星の中心部は熱源を失って重力収縮する。収縮が進むと鉄の原子核同士が重なり始め、陽子と電子が結合して中性子へ変化し、やがて星の中心部がほとんど中性子だけからなる核となる。

 この段階では核全体が中性子の縮退圧によって支えられるようになるため、重力収縮によって核に降り積もる物質は激しく跳ね返されて衝撃波が発生し一気に吹き飛ばされる。これが超新星爆発で、爆発の後には中性子からなる核が中性子星として残されるが、中性子星が光やX線を激しく放出するパルサーとなることもある。


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ヒトの声は管楽器?録音された自分の声が気持ち悪いのはなぜ?耳が目に騙されるマガーク効果

 ヒトの声は管楽器?

 ヒトはどのように声を出しているのだろう? ヒトを含む脊椎動物は、普通「声帯」を振動させることによって声を発する(有声音)。これに対し鳥類は気管の分岐点にある「鳴管」という器官を発振させて、鼓室で共鳴させて発生する。ヒトの場合も、口腔などの共鳴、調音により言語のために調整された発声する。したがって「声は口で発せられる」という捉え方もあながち間違いではない。

 発声は気道を(普通は真声帯の)声門閉鎖で遮り、そこに呼気圧を加えて息を流し込むことで声門が繰り返し開閉し、振動することで、断続的な圧力変動(音波、喉頭原音)が生まれ、さらに声道による共鳴の効果で連続的な波形に整えられると同時に口腔や鼻腔、舌、歯、唇などの調音機構によって母音および子音が付加される。

 つまり、ヒトの声は振動する声帯部分と、空間を変形することによって音高低や、空気圧によって音の大小を変える部分で構成されている。これをもって、人の発声機構は管楽器(中でもリード楽器)に例えられることがあり、管楽器に近いと思っている人は多い。


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第64回ノーベル物理学賞 タウンズ・プロホロフ・バソフ「メーザー、レーザーの発明および量子エレクトロニクス」

 量子エレクトロニクスの幕開け

 1964年、第64回ノーベル物理学賞の対象となったのは「メーザー、レーザーの発明および量子エレクトロニクス分野の基礎研究」である。

 メーザーとは(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)の略で「誘導放射によるマイクロ波増幅」という意味。これをマイクロ波(Microwave)の代りに光(Light)にすると、皆さんご存知の、レーザー(LASER)となる。

 宇宙を観測すると、分子雲の分子ガスが高密度の状態になって、分子同士ぶつかったり、星などから強い放射を受けたりすると、いくつかの種類の分子が電波を出しやすい状態(逆励起状態)になることがある。そこへ外から電波が入ると、刺激を受けた分子が電波を放出する。

 放出された電波はまた次の分子に刺激をあたえて電波を放出させ、次から次へと電波が増えていき、そのガス雲を出るときには、入ってきた電波の強さは高い倍率で増幅される。こうして「電磁波を発生する」天体ができる。太陽もそのような天体の一つである。このようにして増幅された電波は、波のそろった強力な電波となる。これがメーザーである。


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光の二重性を利用して超高感度な「超伝導光センサー」を開発!光子一つを観測できる光子顕微鏡を実現

光子一つを観測できる光子顕微鏡を開発

 光子は光を構成する最小単位であり、それ以上分けることができない素粒子の一つ。波動性と粒子性の両方の性質を併せ持つ。光の強度は、光子のエネルギーと単位時間当たりの光子数の積に比例する。つまり、光子は1つ2つと数を数えられる存在であり、量子の一つである。

 今回、光を構成する最小単位の光子一つを観測することができる光子顕微鏡を開発した...と産業技術総合研究所(産総研)がこのほど発表した。これまでの光学顕微鏡では不可能だった極めて弱い光も検出してカラー画像を撮影することに世界で初めて成功したという。研究成果は英科学誌に掲載された。

 産総研・物理計測標準研究部門量子光計測研究グループの福田大治(ふくだ だいじ)グループ長らの研究グループは、これまでに超伝導現象を利用して光子を一つづつ検出して光子の波長も識別できる光センサーを開発している。


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およそ30億年後、衝突する「銀河系」と「アンドロメダ星雲」は過去にニアミスも?ダークマター理論と矛盾

 銀河系に最も近い銀河

 地球の所属する太陽系...太陽系の所属する銀河系...。銀河系に最も近い銀河は何だろうか?

 それは、大マゼラン星雲(16万光年)、小マゼラン星雲(19万光年)である。どちらも銀河系の伴銀河だ。伴銀河とは、公転する銀河の組で、一方がもう一方に比べて極めて大きい時には、大きい方を「親銀河」、小さい方を伴銀河(または衛星銀河)と呼ぶ。両方が同じような大きさの時には、連星系を形成していると言う。

 独立した銀河となると、アンドロメダ銀河(約250万光年)が近い。アンドロメダ銀河は現在、毎時50万キロメートルの速度で、銀河系に近付いており、やがて衝突・合体すると考えられている。近付くにしたがって速度が増し、30億年程度で衝突、合体にいたる。


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およそ太陽の10億倍!「重力波」の反動で、銀河の外に弾き飛ばされた「超巨大ブラックホール」を発見

 2016年の最大の発見「重力波」

 質量を持つ物体が存在するとその周囲の時空はゆがみ、物体が運動することで時空のゆがみが光速で広がっていく。この「時空のゆがみの伝播=重力波」の存在はアインシュタインが1915年から1916年にかけて発表した一般相対性理論によって予測され、中性子星の連星の合体や超新星爆発、ブラックホールなどから発生すると考えられてきたが、これまで直接検出されたことはなかった。

 その予測からほぼ100年となる2015年9月14日、米・ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストンに設置されているレーザー干渉計型重力波検出器「LIGO」によって、ついに重力波が世界で初めて検出された。

  検出された重力波は、約13億年前に太陽の29倍の質量と36倍の質量を持つブラックホール同士が合体して1つのブラックホールが作られた際、太陽3個分の質量がエネルギーに変換され放出されたものだ。重力波源の方向は特定できていないが、リビングストンではハンフォードに比べて7ミリ秒早く現象が記録されていることから、南半球がわの空域と思われる。


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天の川を撃ち抜く超音速弾丸!正体は浮遊ブラックホールの可能性!ブラックホールは宇宙に無数存在する

 ブラックホールは宇宙にどのくらい存在するか?

 宇宙の謎の一つ、ブラックホールはどこにどのくらいあるのだろうか?銀河の中心(バルジ)にあるというのは、わりと知られていると思うが、それ以外は?

 銀河中心にあるものは、有名でしかも大重量だから見つけやすい。だが、最近X線天文学で、スーパールミナスX線源(超明るいX線源)といって、銀河の円盤の真ん中ではなく、端っこにあるものが発見されている。

 いろんな説があるのだが、1つは質量が、太陽質量の数100倍から数千倍くらいの、銀河中心のものから比べたらかなり小さめのブラックホールがあって恒星質量ブラックホールより大きく超巨大ブラックホールよりは小さい「中間質量ブラックホール」と呼ばれ、何か物が吸い込まれる時にX線を放っていると考えられている。


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ついに!謎の高速電波バーストの発生源(FRB 121102)を特定!30億光年の彼方にある矮小銀河から届く

 高速電波バースト(FRB)とは何か?

 電波望遠鏡で夜空を観測していると、継続時間がわずかに数ミリ秒(1ミリ秒=1/1000秒)という極めて短い謎のフラッシュ現象が起きている。その頻度は、全天で1日あたり数千回も起きていると言われている。これを「高速電波バースト(Fast Radio Burst=FRB)」という。

 その正体は全く不明で、その距離すら、地球大気で発生しているのか、宇宙論的な遠距離なのか、皆目わからない状況だった。一般に天文学で難しいのは天体までの距離を決めること。距離がわからないと、天体が放つエネルギーの大きさも全くわからないため、まずは距離を決めることがその天体を理解する第一歩である。

 さまざまな波長における高性能望遠鏡のおかげで天文学が大きく発展している今日、このように距離すら全くわからないという「謎の天体現象」は他にない。これまで、FRBの直接的な距離測定はなされていなかったが、実はFRBの電波の特徴から距離が推定されていた。FRBからの電波は、波長の長いものほど遅れてシグナルが到着する。


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宇宙ガンマ線背景放射では「ダークマター」の証拠発見されず?「エントロピック重力理論」に注目

 ダークマターの証拠未だ発見できず

 ダークマター(暗黒物質)とは、宇宙に存在すると考えられている、光などの電磁波で観測できない未知の物質を指す言葉である。2013年に公表された観測結果によると、宇宙全体のエネルギー密度のうちダークマターは約27%を占めている。さらにダークエネルギーと呼ばれる未知のエネルギーが約68%あり、私たちの知っている通常の物質は約5%でしかない。その正体はいまだ謎に包まれている。

 最有力候補とされているのが超対称性理論によって予言されているニュートラリーノという粒子。ニュートラリーノはマヨラナ粒子(粒子と反粒子が同一であるフェルミ粒子)であり、ニュートラリーノ同士が衝突・対消滅を起こして電子・陽電子対やガンマ線を生成する反応が起こっていると予測されている。

 今回、宇宙全体で観測される宇宙ガンマ線背景放射を分析したところ、それがダークマターのものであるという証拠が得られなかった。つまり、ニュートラリーノ同士が衝突・対消滅を起こして電子・陽電子対やガンマ線を生成している...という証拠は未だに観測されていない。


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第63回ノーベル物理学賞 ウィグナー「パリティ対称性の発見」メイヤー、イェンゼン「原子核の殻構造に関する研究」

原子核の構造と魔法数の発見

 核子(nucleon)は、原子核を構成する陽子と中性子のこと。原子核とは原子の核であり、この中に一定数の核子(陽子と中性子)が含まれる。炭素の12Cであれば1つの核の中に6個の陽子と中性子を含む。 陽子も中性子もバリオンの一種であるため、核子もまたバリオンの一種である。

 原子核の中の陽子や中性子の数に規則性はあるのだろうか?陽子数 Z または中性子数 N が2,8,20,28,50,82,126の原子核は特に安定であることが実験的に知られており,これらの数を「魔法数」という。

 これらの原子核の結合エネルギーは大きく、安定した原子核を構成する。このような原子核を魔法核という。ヘリウム、酸素、カルシウム、ニッケル、錫(すず)、鉛などが知られている。

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何と本当はダークマターも重力も存在しないかもしれない? 「エントロピック重力理論」と観測データが一致!

ダークマター存在せず? - 「エントロピック重力理論」と観測データが一致

 「重力もダークマターも実在しない。幻想である」物理学者が宇宙の定義を完全に覆す理論を提唱している。科学革命が起きるのだろうか?

 ニュートンが万有引力の法則を見出して以来、“重力”は宇宙の厳然たる事実として誰もが受け入れてきた。しかし、ここにきて人類の世界観が大きく変わろうとしている。なんと、「重力もダークマターも実在しない」という驚愕の理論が実証されたという。

 ライデン天文台(オランダ)の天文学者マーゴット・ブラウワー氏らの研究チームは、宇宙における重力分布の測定データを分析し、「エントロピック重力理論(ヴァーリンデ理論)」と一致する結果を得たと報告した。


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反物質の謎に迫る観測成果!「反ヘリウム」を宇宙空間(ISS)で検出か?「反水素」の吸収線スペクトルを観測

 2種類の反物質を観測 謎は解けるか?

 反物質(antimatter)というと、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。

 宇宙の誕生時、物質と反物質は同数あったと考えられる。しかし現在の宇宙には物質が大量にあり、反物質はほとんど存在しない。「消えた反物質」は物理学の謎で、物質と反物質には「電気以外に異なる性質がある」という説があるが、反物質は物質と触れると消滅するため検証が困難だった。

 また、物質と反物質が衝突すると対消滅を起こし、質量がエネルギーとなって放出される。これは反応前の物質・反物質そのものが完全になくなってしまい、消滅したそれらの質量に相当するエネルギーがそこに残る 。1gの質量は約 9×1013(90兆)ジュール のエネルギーに相当する。


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遠い昔、光は今より速かった? アインシュタインの「光速度不変の原理」を超えなければ、宇宙は説明できない

 光速度不変の原理とは何か?

 光速度不変の原理とは、互いに等速度運動をするすべての観測者からみて、光源の運動によらず真空中の光速度は常に一定の値をとるという原理。1905年にアインシュタインが特殊相対性理論の基本原理として導入した。

 これは光速が、真空中では「毎秒約30万kmの速さ」であり、この速さが変わらないという意味ではない。光源が動いていようが、観測者が動いていようが光だけは速度が「毎秒約30万kmの速さ」で伝わるという意味である。

 わかりにくいので光を電車の話のように考えてみよう。線路の横でAがたちどまりながら、走っている電車を見るのと、電車の横をBが「車」で走りながら電車をみるのとでは、当然のようだがBの方が電車が遅く見える。


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IUPAC、113番元素「ニホニウム」など新4元素名を正式決定!モスコビウム(Mc)、テネシン(Ts)、オガネソン(Og)とは?

UPAC、理研発113番元素「ニホニウム」など新4元素名を正式決定

 理化学研究所(理研)は11月30日、同研究所が国際純正・応用化学連合(IUPAC)へ提出していた113番元素の元素名案および元素記号案について、提案どおり、元素名「nihonium(ニホニウム)」、元素記号「Nh」に正式決定されたと発表した。

 原子番号113の元素は、理研 仁科加速器研究センター 超重元素研究グループの森田浩介グループディレクター(九州大学大学院理学研究院教授)を中心とする研究グループが、理研の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー(RIBF)」の重イオン線形加速器「RILAC」を用いて2004年7月に初めて合成に成功したもので、その後、2005年4月、2012年8月にも合成に成功。2015年12月31日に、同研究グループによる113番元素の発見がIUPACにより認定され、命名権が与えられていた。

 同研究グループは、今年3月18日にIUPACへ元素名案「nihonium」、元素記号案「Nh」を提案しており、6月8日から開始された5カ月間のパブリックレビューとIUPACによる審議を経て、今回の正式決定に至った。


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遥か50億光年から飛来する謎の「高速電波バースト(FRB)」!正体は中性子星の合体か?

高速電波バースト(FRB)とは何か?

 電波望遠鏡で夜空を観測していると、継続時間がわずかに数ミリ秒(1ミリ秒=1/1000秒)という極めて短い謎のフラッシュ現象が起きている。その頻度は、全天で1日あたり数千回も起きていると言われている。これを「高速電波バースト(Fast Radio Burst=FRB)」という。

 その正体は全く不明で、その距離すら、地球大気で発生しているのか、宇宙論的な遠距離なのか、皆目わからない状況だった。一般に天文学で難しいのは天体までの距離を決めること。距離がわからないと、天体が放つエネルギーの大きさも全くわからないため、まずは距離を決めることがその天体を理解する第一歩である。

 さまざまな波長における高性能望遠鏡のおかげで天文学が大きく発展している今日、このように距離すら全くわからないという「謎の天体現象」は他にない。これまで、FRBの直接的な距離測定はなされていなかったが、実はFRBの電波の特徴から距離が推定されていた。FRBからの電波は、波長の長いものほど遅れてシグナルが到着する。


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ゲート長1nmの世界最小トランジスタ(MOSFET)を作製!電界効果トランジスタ(MOSFET)とは何?ムーアの法則はまだ続く...

 増幅型トランジスタからスイッチ型トランジスタへ

 トランジスタは、1948年に AT&T ベル研究所のショックレー、バーディーン、ブラッテンらのグループによって発明された。彼らは、軍事レーダーを検知する研究から半導体のゲルマニウムに注目し、このゲルマニウムに微量の不純物を加えたものを組み合わせると、電流の増幅作用 (元の信号と同じ形をした強い信号を作り出す作用) が生まれることを発見した。当時は真空管を用いて軍事レーダーの微弱な電波を増幅していたが、トランジスターは真空管よりも消費電力が少なく、寿命も長いというメリットを備えている。やがてシリコンが半導体として使われるようになると、真空管を置き換える次世代の素子として、軍事用途だけでなく民生用途にも利用範囲が一気に広がり、またたく間に普及した。

 トランジスタは、主に信号増幅用の素子として使われ始めたが、時間が経つにつれてスイッチとしての機能にも着目されるようになった。実は、増幅作用を最も単純化したものがスイッチとしての働き。増幅する前の信号を「流れている」と「流れていない」という 2つの状態に限定すれば、それによって増幅される信号も「流れている」と「流れていない」という 2つの状態のみとなる。つまり、増幅前の信号がスイッチのボタンとなり、このボタンに連動して増幅後の信号を流したり、止めたりすることができる。このようにして動作するスイッチは、金属と金属が触れ合う機械的なスイッチと異なり、非常に高速に、しかも半永久的に動作する。


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