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物理

2017年ノーベル物理学賞 ワイス・ソーン・バリッシュ「LIGO検出器および重力波の観測への決定的な貢献」

ノーベル物理学賞「重力波」初観測 米の研究者3人に

 ことしのノーベル物理学賞に、巨大な観測施設「LIGO(ライゴ)」を建設して、宇宙空間にできた「ゆがみ」が波となって伝わる現象、いわゆる「重力波」を初めて観測することに成功したアメリカの研究者3人が選ばれた。

 スウェーデンのストックホルムにある選考委員会は、日本時間の10月3日午後7時前、ことしのノーベル物理学賞の受賞者を発表し、いずれもアメリカの、マサチューセッツ工科大学のレイナー・ワイス名誉教授、カリフォルニア工科大学のバリー・バリッシュ名誉教授、それに同じくカリフォルニア工科大学のキップ・ソーン名誉教授の3人を選んだと発表した。授賞理由は「LIGO検出器および重力波の観測への決定的な貢献」である。

 「重力波」は、ブラックホールが合体するなど、質量を持った物体が動いたときに時間と空間の「ゆがみ」が波となって伝わる現象で、およそ100年前にアインシュタインが存在を予測しましたが、「ゆがみ」が極めて小さいことから直接観測は果たせず、これまで世界中の研究者たちがしのぎを削ってきた。


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ニュートンもびっくり!量子力学の世界では等速直線運動せず!慣性の法則が破れている?

 慣性の法則と量子力学

 慣性の法則(Inertia)といえば、外から力が作用しなければ、静止している物体は静止を続け、運動する物体は等速度運動を続けるという法則。ニュートンの運動の法則の1つで,運動の第一法則ともいう。運動の現状をそのまま保持しようとする物体の性質を慣性という。

 量子力学(Quantum mechanics)は、一般相対性理論と同じく現代物理学の根幹を成す理論として知られ、主として分子や原子、あるいはそれを構成する電子など、微視的な物理現象を記述する。 量子力学自身は前述のミクロな系における力学を記述する理論だが、取り扱う系をそうしたミクロな系の集まりとして解析することによって、ニュートン力学に代表される古典論では説明が困難であった巨視的な現象についても記述することができる。


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「電気抵抗は太さに反比例する」と逆の理論発見!電子の「超バリスティック流動」とは何か?

 「ICBM」大陸間弾道ミサイル

 北朝鮮の開発した大陸間弾道ミサイル。英語では「ICBM」つまり intercontinental ballistic missile の略語が使われている。

 「ICBM」の「B」は「ballistic」・バリスティックを意味する。これは「弾道」と訳されている。

 物理学の世界でもバリスティックという言葉が使われている。それは「バリスティック流動」という言葉で、これは直訳すれば「弾道流動」ということになるが「非常によく流れる」という意味である。


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第66回ノーベル物理学賞 カストレイル 「原子のラジオ波共鳴の研究」 レーザーの原理「光ポンピング法」

 1966年のノーベル物理学賞

 1966年のノーベル物理学賞の受賞理由は「原子のラジオ波共鳴を研究するための光学的手法の発見および開発」である。

 「ラジオ波」というと、ラジオやテレビで使用されている電磁波なのでこう呼ばれている。現代ではWi-Fiなど携帯電話やスマートフォンでも使用されている身近な電磁波「マイクロ波」のことである。

 電磁波というといかにも人工のものというイメージを持っている方は多いだろう。 しかし、自然界で電磁波はあふれている。その代表が太陽光。可視光も紫外線や赤外線も電磁波の一種である。また、宇宙から降りそそぐ放射線も電磁波の一種。放射線は、現在のところ唯一人体への害がはっきりしている電磁波である。放射線の一種であるX線はレントゲン撮影にも欠かせない。


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長年の謎であった「過冷却水」がドロドロになるメカニズムを解明!水素結合が強固になり高い粘性

過冷却水とは何か?

 過冷却(supercooling)とは、物質の相変化において、変化するべき温度以下でもその状態が変化しないでいる状態を指す。たとえば液体が凝固点(転移点)を過ぎて冷却されても固体化せず、液体の状態を保持する現象。水であれば摂氏零度以下でもなお凍結しない状態を指す。

 第一種相転移でいう準安定状態にあたる。物質は一般的に固体・液体・気体の三つの相を持ち、それらは温度と圧力の影響の元で決定される。おおよそ温度が下がるにつれて気体→液体→固体へと変化し、その変化する温度は沸点・融点(凝固点)と呼ばれて物質の特性とされる。しかし、現実にはこれにあわない例が往々にして出現する。

 液体を構成する分子が結晶化過程(第一種相転移)に移行するためには、物理的刺激によって核となる微小な相を生成させる必要があるが、過冷却においては微小相の発達が不十分で、相転移が行われない。このため極めて平静な、安定した状況で発生しやすい。


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第65回ノーベル物理学賞 朝永・シュウィンガー・ファインマン「量子電気力学分野での基礎的研究」

 量子電気力学とは何か?

 1965年のノーベル物理学賞は「量子電気力学の分野の基礎的研究」である。「量子電気力学」とは何だろう?

 「量子電気力学」とは電磁気力に関する「場の量子論」だ。場と何か? 例えば電気にはプラスとマイナスの 2種類があるが、同極では反発しあう。

 しかし、なぜ離れているものの間に力が働くのか?それに答える為にいろいろな考え方が登場したが、エーテルもそのひとつだった。しかしエーテルの存在は、マイケルソン・モーレーの実験によって一応否定され、その変わりに空間そのもの(正確には時空そのもの)の性質として、力を伝達する機能があると考えられるようになった。それが「場」であり、とくに電気力の場合には「電場」がある。


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磁気テープの復権、磁気テープの記憶密度で従来比20倍の新記録!低コスト・安定性・ビッグデータに活用

 IBMとソニー、磁気テープの記憶密度で従来比20倍の新記録

 IBMチューリッヒ研究所とソニーストレージメディアソリューションズは、磁気テープによる面記録密度で201Gb(ギガビット)/平方インチを達成し、世界最高値を更新したと発表した。従来比20倍の記録密度となる。研究成果は8月2~4日、つくば市で開催された第28回磁気記録国際会議(TMRC2017)で発表された。

 「磁気テープ」と聞くと、昔のビデオテープなどを思い浮かべて旧式の技術というイメージを持つ人もいるかもしれない。しかし実際には現在も、データセンタにおけるバックアップやアーカイブ用途などでは、磁気テープが現役で利用されている。

 半導体メモリやハードディスクと比較するとデータ容量あたりのコストが格段に低いため、頻繁にアクセスする必要のない大量のデータを保存するには、今でも磁気テープを使うのが最も経済的で効率が良いためである。ビッグデータやクラウドコンピューティングといった新たな用途でも、同様の理由から磁気テープが利用されるようになっている。


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銀河は出会いと別れを繰り返す永遠の旅人?天の川銀河の物質の半分は別の銀河からやってきた

 激しく動く銀河、宇宙は決して孤独ではなかった

 私たちの太陽系が所属する銀河系は、直径 約10万光年、厚さ 約1000光年、恒星数 2000~4000億個の渦巻銀河か、棒渦巻銀河だと考えられている。銀河系の中心は地球から見ていて座の方向に約3万光年離れた所に位置しており、いて座Aという強い電波源がある。ここは超大質量ブラックホールが存在することが確実視されている。

 広い宇宙には銀河系のような銀河が無数に存在することが分かっている。銀河系の近くには、アンドロメダ銀河やさんかく座銀河 (M33)など、35個の銀河があり、局部銀河群を構成している。これらの銀河群がいくつか集まって、おとめ座超銀河団を形成している。

 銀河系の周りには数多くの矮小銀河が周回している。これらの矮小銀河の中で最も大きいものが直径約2万光年の大マゼラン雲である。これに対して最も小さいりゅうこつ座矮小銀河、りゅう座矮小銀河、しし座II矮小銀河は直径500光年しかない。


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銀河中心のブラックホールの大きさが、渦巻の広がりでわかる?強い関連性発見!

 銀河の渦と台風の渦

 美しい銀河。銀河(galaxy)は、恒星やコンパクト星、ガス状の星間物質や宇宙塵、そして正体が詳しく分かっていない暗黒物質(ダークマター)などが重力によって拘束された巨大な天体である。

 銀河には、1000万個程度の星で成り立つ矮小銀河から、100兆個も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%を暗黒物質が占める。

 観測結果によれば、すべてではなくともほとんどの銀河の中心には超大質量ブラックホールが存在すると考えられている。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当たると思われる。


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NICT、次世代の「量子通信」 基礎的な実験に成功!超小型衛星から、2つの偏光状態に「0,1」のビット情報を符号化

「量子通信」とは何か?

 「量子通信」とは「光」がもっている性質、潜在能力を全部使い切る究極の通信技術と言える。

これまでの「電気」や「光」による通信は、エネルギーの塊としてしか制御されていない。電気や光のパルスを出すか出さないかで、「0」と「1」の信号を表している。

しかし「光」を「波」と考えた場合、光には「周波数」がある。また波と波がぶつかると波が強くなったり弱くなったりと相互に作用する「干渉」がある。また、光には「偏光」という向きもある。このような性質まで使うと、今の「光」通信よりもはるかに多くの情報量を伝えることが出来るようになる。

 さらに、光は波の性質を持っていると同時に「粒」の性質も持っている。光の粒「光子」としての性質を利用出来るようになると、どんな盗聴でも検知する暗号を作ることが可能になる。光子を盗聴するということは光子を抜き出すということで、抜き取られた部分は光子が抜け落ちたまま受信されるため、盗聴されたことがすぐに分かってしまうからだ。


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「アモルファス氷」と呼ばれる急速冷凍して作った過冷却氷は、固体ではなく液体だった!

 氷にアモルファスな2つのタイプ

 アモルファス (amorphous)とは、 非晶質のことで、結晶のような規則正しい原子配列はないが、原子どうし結合した状態で、これは熱力学的には、非平衡な準安定状態である。ガラスなどはアモルファスである。

 水を冷やすと0℃で氷になるといわれるが、実際には、結晶の核ができるまでに時間がかかるので、0℃を下回ってもすぐに氷になるわけではない。純粋な水を、ゆっくりと刺激を与えずに冷却すると、0℃よりもかなり低温まで過冷却できる。それでも、実験で到達できる過冷却温度は-30℃ぐらいが限界で、その先はどうやっても結晶化がおこる。

 一方、計算機シミュレーションでは、不純物の影響を完全に排除できるので、結晶化を起こさせずにもっと過冷却することができる。水をそこまで深く過冷却すると、その先には驚くべき現象が待っている。結晶化しないまま、固く凝った状態をガラス状態あるいはアモルファスと呼ぶが、水には2種類のガラス状態があるらしい。


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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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