トマス・ジェファソンと言う人が、「独立宣言」と言うものを発表しました。独立記念日は、この日を祝しているのです。
しかし、ジェファソンが独立宣言を発表したのは、独立戦争の真っ只中
先ほど書いたように、アメリカの勝利に終わりました。そして1783年、パリ条約が結ばれ、アメリカは完全に(正式に)イギリスから独立したのです。ちなみに、独立記念日のお祭りは、独立宣言発表の翌年、1777年から始まっています。なお、完全に独立を果たしたパリ条約が結ばれた日はいつか、調べてみたところ、9月、としかわかりませんでした。どなたか詳しく知っている方、教えてください。お願いいたします。
冷たくても「温泉」
「温泉」と聞くと、湯気が立ち込め、硫黄(正確には、硫化水素〔硫黄と水素の化合物〕)の匂いがするイメージがあります。
漢字も「温かい泉」と書くぐらいで、当然温泉と言えば、お湯だけ
と、思いきや、実はそうでもないのです。
温泉法第2条第1項には、温泉の定義として、「この法律で『温泉』とは、地中からゆう出する温水、鉱水及び水蒸気その他のガス(炭化水素を主成分とする天然ガスを除く。)で、別表に掲げる温度又は物質を有するものをいう。と書かれています。
噛み砕くと、「温泉とは、地下から湧き出した温水やガスの事
ただし、別表に書かれた温度以上か、別表に書かれた物質を含んだもの」と言う事です。
この条文で注目すべきは、「温度又は物質」と書かれている事
つまり、温度が何度だろうが、特定の物質を含んでいれば、「温泉」と呼べるのです。また、温泉と言えば硫黄(いおう)ですが、温泉ならば硫黄が絶対入っている、とは限りません。
温度が何度だろうが、特定の物質を含んでいれば「温泉」ですが、この文章を逆に読み取ると、「何も含んでいなくても、温度が一定以上ならば温泉と呼べる」ともなるのです。
その温度は、別表の一によると、「摂氏二十五度以上」
摂氏(せっし)とは、日本では日常的に使われる温度単位で、「°C」の事です。
そしてこの温度は、地面から湧き出した時の温度
この時25度未満だと、後でいくら沸かしても、温泉にはなりません。ですので、地面から湧き出した時、25度以上ならば、何も含んでなくても、温泉と呼べてしまうのです。
以上をまとめると、「地面から湧き出した時の温度が、25度以上ならば、ただの水でも温泉
25度未満でも、別表に書かれた物質を1つ以上含んでいれば、温泉」
と言うわけです。もちろん、条文にあるとおり、「温泉」だからと言って、液体が出てくる必要はありません。目に見えないガスが噴出したとしても、ガスの成分によっては「温泉」になります。なお、一覧の雑学の部屋に、『温泉法 別表の二』を載せておきました。あわせてご利用ください。
アインシュタインがノーベル賞をもらった理由とは
アルベルト・アインシュタイン(アルバート・アインシュタイン、とも)は、ユダヤ人の有名な理論物理学者です。彼は生涯でいくつか功績を残しましたが、そのうちの1つが、有名な「相対性理論(相対論)」と言うものです。また、彼は1921年、ノーベル物理学賞を受賞しています。
アインシュタインの残した功績で一番有名なものが「相対論」であり、ノーベル賞を受賞したのが相対論発表直後であるため、よく「アインシュタインは相対論の功績で、ノーベル賞を受賞した」と勘違いされますが、実は違います。アインシュタインが受賞したのは、相対論とは全く関係の無い、「光量子仮説」と言う物です。光量子仮説とは、一言で言うと「光とは粒と波の性質を持った物である」と言う説です。1887年まで、いくつかの実験結果から「光は波である」と考えられていました。
ところが1887年、ドイツの物理学者ヘルツが「光電効果」と言う現象を発見
光電効果は「光が波である」とすると説明できず、「光が粒である」とすると楽に説明できました。
そこで、「光は波なのか、粒なのか
」と言う議論が沸き起こったのです。
この議論を解決したのがアインシュタインが1905年に発表した「光量子仮説」
先ほど述べたように、「光とは粒と波の性質を持った物である」と言う説です。
で、アインシュタインは光量子仮説によってノーベル物理学賞を受賞したのですが、この話には、(真偽は定かではありませんが)ちょっとした裏話があります。相対性理論は、当時の物理学の常識を大きく覆した理論でした。
そのため、ノーベル賞選考委員は、本当は「相対性理論の発見」でノーベル物理学賞を彼に与えたかったのですが
実は、当時の科学技術では、相対論が本当に正しいのかどうか、検証する事ができなかったのです。また、その内容が非常に難解で、ノーベル賞選考委員たちに理解することもできませんでした。権威あるノーベル賞を、そんな曖昧な物に与えるわけには行きません。しかし、どうしてもノーベル賞を与えたい選考委員たちは、アインシュタインの他の功績をムリヤリ探し始めました。
そして発見したのが、特殊相対論と同年に発表された、光量子仮説
「こりゃ良いや」とばかりに、ノーベル賞選考委員たちはこれに飛びつき、見事アインシュタインにノーベル物理学賞を与える事ができたのです。ちなみに、相対論が本当に正しいかどうかは現在も検証が続けられています。
ただ、今(2006年)のところ、相対論を否定する材料は、何一つ出てきておりませんので、ご安心を
「これは『金閣寺』ではありません」
修学旅行の定番、京都
見所の1つに、「金閣寺」があります。
実際に行った方も多いでしょう
「金閣寺」と言えばもちろん、金ぴかの2階建てで、屋根の上には鳥(鳳凰)の像が飾られている、あの建物です。
ところで(今現在もあるかどうかわかりませんが)、「金閣寺」の前に「これは『金閣寺』ではありません」と言う看板が立っているのをご存知でしょうか
そして、そこに書かれている通り、あの金ぴかの建物は、実は「金閣寺」ではないのです。
では、「金閣寺」は、いったいどこにあるのでしょう
それでは試しに、「金閣寺」に行ってみましょう
「金閣寺」は、京都府北区にあります(普段、一般的に「金閣寺」と呼んでいる金ぴかの建物も、ここにあります)
金ぴかの建物を見るために、金ぴかの建物がある敷地に入っていきましょう
「総門」と呼ばれる、秋には美しい紅葉に彩られる門をくぐり抜けます。すると、そこはもう「金閣寺」です。
どういうことか
こう言う事です。一般的に「金閣寺」と呼ばれている金ぴかの建物は、正式には「金閣」と呼びます。あの金ぴかの建物は、お寺ではなく、「舎利殿(しゃりでん)」と言う建物なのです。そして、その「金閣」は、「金閣寺」の中にあるのです。「金閣寺」とは、「金閣」を含め、目の前の池や、不動堂、巌下水(がんかすい)、竜門滝などがある、あの敷地全体の事を言うのです。先ほど、「金閣は舎利殿だ」と書きました。舎利殿とは、舎利(お釈迦様の遺骨)を安置する建物の事です。金閣や、その他のお堂や鳥居などが全て合わさり、初めて寺院としての効果を持つ範囲の事を「金閣寺」と呼ぶのです。ちなみに、「金閣寺」と言うのは正式名称ではありません。正式名称は「鹿苑寺(ろくおんじ)」と言うのですが、金閣が余りに有名なため、「金閣寺」と呼ばれるようになりました。
お酒を飲むと体が温かく
「お酒を飲むと体が温まる」と言われています。とは言えませんが、若干語弊があります。お酒を飲むと体が温かくなるように感じるのは、血管が拡張するからです。血液は体中に栄養や酸素などを運ぶと同時に、熱も運んでいます。血管が拡張すると運ばれる熱も増え、体温が上昇します。ところが、体の表面に近い血管も拡張しているため、そこから大量の熱が体外に放出されていまいます。熱が外に出て行くわけですから、当然体は冷えてしまいます。よって、お酒を飲むと体が温まったように感じますが、放熱が増えるためにどんどん冷やされていくのです。
もし寒いところで温かくなろうとしてお酒を飲むと、逆に体温を下げることになってしまい危険ですのでご注意を
ちなみに、お酒を飲むと顔が赤くなりますが、あれも顔の下の血管が拡張しているため
赤いのは血液の色なのです。地動説は間違っていた。「天動説と地動説」の話は有名です。その昔、人々は「地球は宇宙の中心で、太陽が地球の周りを回っている」と考えていました。これを「天動説」と言います。
対して、「地球が太陽の周りを回っている」と言うのが「地動説」
言うまでもなく、本当は地動説です。
地動説を最初に唱えた、とされているのはアリスタルコスと言う紀元前300年頃の天文学者
地動説を唱えた有名どころは、ニコラス・コペルニクス、ヨハネス・ケプラー、ガリレオ・ガリレイの3人でしょう
特にガリレイは地動説を唱えた事で「聖書に反する」と教会から弾圧された事で有名で、「それでも地球は回っている」と言うセリフも有名です。
コペルニクスやケプラーも、程度は違いますが批判や無視を受けた人々です(コペルニクスは死の直前に地動説を発表したので、彼自身は特に批判を受けていませんが)
この天動説と地動説の話は、しばしば「正しい者が不当に批判を受ける」と言う事の喩えに使われますが
現代科学からすると、この3名の説は実は間違っているのです。そもそも彼らが非難されたのは、宗教的な理由ももちろんありますが、科学的なちゃんとした理由もありました。
まずコペルニクスですが、彼が著した地動説のモデルの概略は、「太陽を中心に、全ての惑星が完全な円運動を行っている」
ところが現代の天文学によれば、惑星は完全な円運動は行っておらず、わずかにつぶれた楕円形をしています。そのため、コペルニクスの計算と実際の観測結果は一致せず、観測と一致しない理論は間違っている、というわけでコペルニクスの地動説は受け入れられなかったのです。
それから数十年後
ケプラーが師匠ティコ・ブラーエの残した観測記録を元に惑星の軌道を正確に計算し、惑星が楕円軌道を描いている事を突き止めました。そのおかげで、地動説と観測結果が一致しました。さらにガリレオが、天動説では起こりえない金星の満ち欠けや、木星の衛星を発見し、地動説を支持・主張しました。ところが、彼ら2人に解けない謎が登場したのです。天動説は「地球が宇宙の中心だ」とする面もあります。このように考えたのにはわけがあります。地球が丸い事は紀元前からわかっていました。
地球が丸い、と言う事がわかると次に浮かんでくる疑問は、「では何故地球の反対側にいる人は、宇宙の彼方に落ちていかないのか
ということです。
これを解決する理論として登場したのが、「全ての物質は宇宙の中心に向かう性質がある」というもの
すなわち、地球は宇宙の中心であり、故に地球の反対側の人も宇宙の彼方に落ちていかないのだ、と言う考えです。
もしガリレオとケプラーが言うように地球が宇宙の中心ではないのだとしたら、「では何故地球の反対側にいる人は、宇宙の彼方に落ちていかないのか
」と言う疑問が生じます。実はガリレオとケプラーは、この疑問に答えられなかったのです。
その謎を解いたのが、有名なアイザック・ニュートン
彼は、これまた有名な「リンゴが落ちるのを目撃する」という体験から万有引力の法則を発見
「全ての物質は宇宙の中心に向かう性質がある」と言う理論を打ち砕き、「万有引力によって、地球の反対側にいる人は落ちていかないのだ。」と説明しました。これにより地動説に疑問はなくなり、徐々に広く受け入れられるようになっていったのです。中国の女性は、チャイナドレスを着ない。中華料理店に行くと、チャイナドレスを身にまとったウェイトレスが現れます。
中国では、女性の正装はチャイナドレス
だから、チャイナドレスのウェイトレスが出てくるわけです。ならば当然、中国の女性は、全員チャイナドレスを持っている。と思いきや、実際にはそうでもないようです。例えば、日本料理屋へ行くと、着物を身にまとったウェイトレスが現れます。しかし、だからと言って、日本の女性が全員着物を持っているわけではありません。それと同じ理由で、中国の女性も、チャイナドレスを持っているわけではないのです。また、「着物」と言うと、日本では「古臭い」と言うイメージがあります。中国も同じで、「チャイナドレス」と言うと、「古臭い」と言うイメージを持っているのです。そのため、「ダサいチャイナドレスなんて持たない。」と言う女性が、現在増えている、と言うわけです。七夕は7月7日ではない。七夕、と言えばもちろん7月7日です。
ところがこれは、「旧暦」での話
旧暦とは明治6年以前に使用されていた暦の事で、「太陽太陰暦(又は太陰太陽暦)」の1つ、「天保暦」と呼ばれているものです。暦には大きく3つの種類があります。太陽の動きを利用した「太陽暦」、月の満ち欠けを利用した「太陰暦」、そして両方を加味した「太陽太陰暦」です。現在我々が使っているのは太陽暦の1つ、グレゴリオ暦ですが、明治6年までは天保暦を使っていました。太陽太陰暦では、「月が新月になる日」を月の始まりと考え、各月の1日としました。
その翌日を2日、その次の日を3日
と考え、次の新月の日がやってくると、それが次の月の1日となります。
ところが、新月から新月までは平均して約29
これが12ヶ月だと約354日であり、太陽暦の1年より約11日短いため、そのままでは徐々に季節とずれていきます。そこで太陽太陰暦ではこのずれがひと月分になると閏月を入れてずれを修正しました。よく「今日は旧暦では何月何日」と言う話を聞きますが、たいていその日付は1ヶ月ほどずれています。それは、太陽太陰暦の1年が太陽暦のそれより11日短いからなのです。また11日短い事から、旧暦での日付が同じでも、現行の暦では違う日になる事もしばしばあります。さて、七夕に話を戻します。
七夕は7月7日ですが、それは旧暦の話
では現行の暦ではそれは何日になるのでしょうか
現在、日本では公式な旧暦の換算は行われておりません。そのため国立天文台ですら、現行の暦での正確な七夕の日にちを言えません。そこで国立天文台では、2001年、旧暦における七夕の日(「伝統的な七夕の日」)を次のように定義しました。
「24節気の処暑(しょしょ=太陽黄経が150度になる瞬間を含む日)よりも前で、処暑に最も近い朔(さく=新月)の時刻を含む日から数えて7日目」
太陽黄経(たいようこうけい)とは、太陽が春分の日にある位置を0度とし、そこから東回りに360度測ったものです。春分の日にある位置(春分点、と言います)を0度とすると、夏至点が90度、秋分点が180度、冬至点が270度となります。つまり処暑とは、「太陽が春分点から東に150度ずれた位置を通る日」の事です。
それよりも以前にある、処暑に最も近い新月の日から数えて7日目
それが七夕になります。
処暑の1つ前の節気は「立秋(りっしゅう)」
これはニュースなどでも「本日は立秋です」などと言う事があり、処暑は立秋の2週間ほどあとになります。
ですので、だいたい立秋の1〜2週間後ごろが、旧暦での七夕の目安になります(必ずしも正確ではありません)
なお国立天文台によると、2012年までの七夕の日付は、下記の通りです。
科学の雑学の部屋・2階
あんな重い飛行機が何故飛ぶ。
透明人間ははたして可能か
テープの声と自分の声は何故違う。
不快指数はどうやって計ってるの
紙とじ器(商標ホッチキス)の針はどうやってくっつける。
ラムネのビー玉はどうやっていれるの
タイムマシンは果たしてつくれるか
電子レンジはなんで物を温められる。水は水素と酸素から出来ているのに何故燃えない。100度のサウナで何故火傷しない。電子レンジの台は何故回転する。エレベーターのワイヤーが切れたらどうなる。
荷物を持って階段を上がる時上と下とはどっちが楽か
火に息を吹きかけると何故消える。火に水をかけると何故消える。胃のレントゲンを撮る時何故バリウムを飲む。発電所はどうやって発電している。
真空の中でマッチを擦ると
イヌ笛の音は何故人には聞こえない。
マイナスイオンってなに
炭酸水に入れた氷は、何故速く溶ける。寒い日に息を吐くと、何故白くなる。
冬になるとガラスが曇るのは何故
カイロがお店に並んでいる間に冷めないのは何故
バスの中で最も揺れない場所はどこ
何故夏は暑く冬は寒いのか
真空パックは真空じゃない。北極点に方位磁針を置くとどうなる。
ストローで何故水を吸い上げられるのか
アイロンでどうしてしわが伸びるのか
何度も噴火して、マグマが無くなることは無いのか
蛇口の内側のギザギザは何のためにある。
鉛筆で文字が書けるのは何故か
プラスとマイナス
宇宙には空気がないのに、太陽の熱が地球に届くのは何故か
新しい電池と古い電池を同時に使うとどうなるのか
テレビ映像内で回転しているものが逆に回るのは何故
ビール瓶やドリンク剤の瓶が茶色いのは何故か
虹は何故見える。
ガソリンスタンドのガソリンはどこに入っているのか
N極、S極だけの磁石は何故ないのか
モチを焼くと、何故膨らむのか
二酸化炭素の中で燃える物質
飛行機の燃費はどのぐらい
酸素の無い宇宙、何故太陽は燃えていられる。
地球はどうして丸いのか
電線に止まった鳥は、何故感電しないのか
ホコリが無いと、雨が降らない。
梅雨入りと梅雨明けの定義は
検索サイトからいらっしゃった方へ;ブラウザのツールバーにある「編集」から、「検索」「このページを検索」を選び、このページ内を検索してください。あんなに重い飛行機が何故飛ぶ。
おそらく、これは科学の疑問の定番と言っていいでしょう
全重量何トンもある鉄の固まりがなぜあんなに軽々()と空を飛ぶのか
江戸時代末期に黒船がやってきた時、人々は「なぜ鉄の固まりが海に浮くのか
」と不思議がっていたのですから、それが空を飛んだら、失神してしまうでしょう
さて、前置きはこの辺にしておいて、本題
飛行機はつばさがあります。これが無ければ、当然飛行機は飛べません。つばさに正面から空気があたると、当然空気は上下に分離されます。飛行機のつばさは、下面が平らで、上面が丸みをおびていて、さらに上下に分かれた空気は同時につばさの後ろに到達します。そのため、上に行った空気の速度が速くなります。
空気には、速く動くほど周囲に及ぼす圧力(空気圧)がどんどん低くなる、と言う性質があります(これを、ベルヌーイの定理と言います)
物は高気圧(高い気圧)から低気圧(低い気圧)の方へを移動しようとする現象があります。ということはつまり、つばさの上部の方が気圧が低くなることにより、つばさは上へ上へと行こうとします。
もちろん、飛行機本体も
こうやって上へ向かって飛んでいくのです。と、言うのが一般的に説明されますが、実は6行前の「上下に分かれた空気は同時につばさの後ろに到達する」と言うのは、間違っているとも言われています。上面の空気は、下面の空気と同時に後ろには到達せず、従ってベルヌーイの定理も適用できない。仮に到達するとしても、では何故同時なのか、と言うと答えられない。飛行機の飛ぶ理由は、目下論争中だそうです。
透明人間ははたして可能か
もし、透明になれたならば、完全犯罪目白押し、なんでも出来てしまいます。
無賃乗車、空き巣、覗き
(全て犯罪です)
しかし、この透明人間、はたして科学的に可能なんでしょうか
実は透明人間は実際に出来るのです。ただ、現在の科学技術(と言うより、どちらかと言うと医学)では不可能なだけなのです。透明人間のなり方は、まず、体の色素をすべて抜きます。
そうすると、骨と血液、髪の毛だけになります(見た場合)
そのあと、毛という毛をそります。そして、全ての骨を、「骨と同じ強度があり、屈折率が色素を抜いた体と同じである物質」と入れ替えます。
「屈折率」とは、光の曲がり具合のこと
空気中から水中へ光が入ると、光はカクンと折れ曲がります。これがどのぐらい折れ曲がるかと言うのが、屈折率です。色素を抜いた体と屈折率が同じと言う事は、色素を抜いた体から、その物質に入っても、光が曲がらない、と言う意味です。次に、血液をイカの血と入れ替えます。これは、イカの血が、空気と屈折率がほぼ同じ(つまり、透明)だからです。そうすれば、はれて透明人間となれます。しかし、実際には「透明」とは言い切れません。体の色素を抜いて、血液を全てイカの血にしても、まだ微妙に見えてしまうのです。ですが、空気中ではなく、水に入ると透明になります。ただし、目も透明にしてあるため、物が見えなくなります。
物が見えるのは、目の網膜が光を受けるため
しかし、透明になると光が貫通してしまうため、光をとらえる事が出来なくなってしまうのです。
透明人間になっても物が見たければ、せめて角膜と網膜だけは残しておきたいところ
しかしそうすると、なにやら奇妙なフニャフニャの物体が、目線の高さに浮く事になり、おそらく、異様な光景となることでしょう
ちなみに、「透明」とは、空気との屈折率が0
05以下の状態の事を言います。テープの声と自分の声は何故違う。
歌を歌っている人や、演劇をしている人は、一度は自分の声をテープに取っているはず
しかし、その声は何故か、自分の声と全く違います。なのに、他人の声はテープに取って聞いても、ほとんど変わりません。
何故でしょうか
これは、音が振動によって伝わる、と言う点に注目すると解ります。声は、喉の奥にある、声帯によって発生されます。そして、声帯によって発生された声は、喉から口に伝わり、そこから外にでて相手の耳に届き、相手に聞こえる訳です。しかし、自分の声を聞く時は、声帯から発生された音が、頭蓋骨を伝わり、そこから鼓膜へ伝わっています。
普段の声とテープの声が違うのは、このため
音質は、伝わるものによって違います。例えば、水の中と外では、同じ音でも、だいぶ違う音に聞こえます。これは、水の中では水を、水の外では空気を伝わって音が聞こえるためです。とすれば当然、空気を伝わって聞こえる音と、頭蓋骨を伝わって聞こえる音にも、違いが生まれます。
普段聞いているのは、頭蓋骨を伝わってきた声
しかし、テープで聞くと、声が空気を伝わって聞こえてきます。そのため、普段聞いている自分の声と、全く違う声に聞こえてしまうのです。
ちなみに、テープで聞こえる声は、自分の周りの人間が聞いている、自分の声
他人の声をテープに入れても変わらないのは、テープでも生でも、テープを伝わってきているから、なのです。
不快指数はどうやって計ってるの
不快指数という言葉を聞いたことがあるでしょうか
不快指数とは、文字通り、人間の感じる不快の値です。
そんな心理的な物を、どうやって計るのでしょうか
実は、ちゃんと計算式があるんです。
不快指数の計算式は、湿球温度とは、球部(一番下の球のところ)を湿った布でくるんだ温度計(湿球計)の示す温度の事
この湿球計は、普段は温度計と併用し、温度計の温度から湿球計の温度を引いて、湿度を求めるのに使います。この時、2つの温度の差が少なければ少ないほど、湿度が高い、と言う風になっています。ここでは逆に、温度計の温度と湿球計の温度を足している訳です。なお、この不快指数は、体感温度(体で感じる温度)のうちの、1つです。一部の人は70以上、75以上で半数以上、そして80以上で全員が「不快」と感じる、とされています。紙とじ器(商標ホッチキス)の針はどうやってくっつける。
普段我々が使っているホッチキス
「ホッチキス」と言うのは商標(企業がつけた固有名詞)で、正しくは「紙とじ器」と言います。
まぁ、それは置いておいて、あの針、どうやってくっつけてるんでしょうか
まさか、あの細い針を、1本1本、接着剤でくっ付けていくわけにはいきません。
その方法は単純そのもの
まず、鉄線をローラーで押しつぶして平板にします。これを刻んで1本ずつの針にして、あのコの字型に折り曲げ、ならべます。
さて、ここからどうやって針を全てくっ付けるか、ですが
あのコの字型に曲がった状態で、接着剤の中に、針を漬けるのです。そして外に出せば、全ての針がくっ付いている、と言うわけです。
ラムネのビー玉はどうやっていれるの
ラムネって、食べる方では無く、飲む方です。
あのビン、ビー玉でふたがしてありますよね
それを上から押して、ビー玉を中に落とす。そうして中身を飲む。
さて、あのビー玉、どう考えても口より小さいのに、どうやってはめ込んでいるんでしょうか
この答えも単純そのもの
ラムネのビンの口は、もともとビー玉が入る大きさになっていて、ビー玉をいれてから加熱して口を細くしているのです。
順序立てて説明すると、1;円筒形のびんの原形を作る。2;首の部分を加熱して細くしぼる。3;ビー玉をいれる。4;口の部分を加熱し、さらに細くしぼる。5;そのあとラムネをいれると、炭酸の圧力にとりビー玉は上に押し上げられ、ぴっちり口を閉める。こうやって作のです。
タイムマシンは果たして作れるか
人類は空を飛ぶことに成功しました。海の奥深くへ行くことも成功しました。地面の下に入り込むことも出来ました。そして、宇宙へ行くことも、まだ一般には広がっていないものの、成功しました。
そして残るは、未来へ、過去へ行くこと
未来へ、過去へ行くとなると、よくいわれるのが『タイムマシン』
時間旅行機です。
さて、このタイムマシン
果たして、作ることができるんでしょうか
正解は、理論上は出来ます。しかし残念ながら、現在の科学技術ではつくれません。
では、技術があった場合、どうやればタイムマシンが作れるんでしょうか
その方法は、限りなく光速に近づける乗り物を作ること
ただそれだけ
物体は光速に近づけば近づくほど、時間の経過が遅くなります。これを、アインシュタインが「相対性理論」と言う小難しい理論で説明しています。この説明を読んで、タイムマシンを作ろうと考えた方に、いくつか注意点をお教えします。
タイムマシンを作った際、一気に光速まで加速しないように
ロケットについて詳しい人なら知ってると思いますが、一気に超高速になると、人体にものすごい力が加わり、体がぺしゃんこに潰れてしまいます。ですので、スピードを上げる時は、徐々に上げて下さい。また、現在の物理学では、未来に行く方法は完全に確立されていますが、過去に行く方法が未だに曖昧です。
「ワームホール」と言うものを利用して、過去に行けるのではないか、と言われてはいますが、まだこの「ワームホール」が発見されていないので、今のところ、過去に行くのは無理なようです。他にも、過去に行く理論はいくつかありますが、そのどれも、やはり技術的にまだまだ難しいようですし、ここで説明すると、非常に長くなるので、止めておきます。なお、こちらに「アインシュタインの相対性理論」の本を用意いたしました。あわせてご利用下さい。電子レンジはなんで物を温められる。身近にあればあるほど、その仕組みは意外と知られてないものです。
電子レンジもその1つ
火も無いのに一体どうやって物を温めているのでしょうか
結論から述べますと、電子レンジは、電磁波(マイクロ波)を飛ばすことによって、物を温めています。マイクロ波とは、目に見えない光だと思ってもらえれば良いです。光は波のような性質を持っていて、光が1秒間に振動する回数の事を「周波数」と言い、「Hz(ヘルツ)」と言う単位で表します。マイクロ波は、この周波数が10億〜1兆Hzもあります。電子レンジは、「マグネトロン」と言う装置を用い、このマイクロ波を発生させて電子レンジ内の物体に当てているのです。すると、マイクロ波が当たった食品内の水分(正確には水の分子)が、1秒間に10億〜1兆回も振動するのです。そもそも「熱」とは分子の振動の事です。分子が振動するのですから、それはすなわち熱であり、よって食品が温まるのです。上からわかるとおり、電子レンジが温めているのは実は「食品そのもの」ではなく、そこに含まれている水分です。
ですので、完全に水分を抜いた物を温める事は出来ませんし、食品を入れた容器も温まりません(取り出すとき熱いのは、食品(水分)の熱が容器に移るため)
また、面白い事に、氷を電子レンジに入れても溶けません。これは、マイクロ波が氷になった水の分子を揺さぶれないからです。
(ただし、常温内で氷が溶け、少しでも液体化したら、そこが温まり、他の部分も温まって、溶けてしまいます)
また、電子レンジは水分を熱すると言う性質上、「冷めやすい」と言う欠点もあります。
多くの食品の熱は、食品内の水分によって保たれているので、水を直接温める電子レンジだと、水分がすぐに蒸発
熱を蓄える能力が、落ちてしまうのです。
では、ここからはちょっと踏み込んだ話を
先ほど「マイクロ波は食品を直接温めず、水分を振動させて温める」と述べましたが、では何故水分しか温める事ができないのでしょうか
電気には、プラスとマイナスがあり、プラスとプラス、マイナスとマイナスは反発し、プラスとマイナスは引き合う、と言う性質があります。マイクロ波(と言うか、電磁波)は、プラスとマイナスを交互に入れ替えながら飛んでいるのです。先ほど、「マイクロ波は1秒間に10億〜1兆回振動している」と述べたのは、実は「プラスとマイナスが入れ替わっている」と言う意味なのです。
(正確にはこんな単純ではなくもっと複雑らしいのですが、筆者もよく理解できていないので、このぐらいで勘弁してください)
また水分子は、「く」の字型に折れた形をしています。そして「く」の字の左側が、若干電気的にマイナスになっており、右側が若干プラスになっています。そのため、マイクロ波が飛んで来たとき、マイクロ波が「プラス」だと、「く」の左側がマイクロ波の方を向きます。一方、マイクロ波が「マイナス」だと、「く」の右側がマイクロ波の方を向きます。つまり、マイクロ波がひとたび飛んでくると、水分子が1秒間に10億〜1兆回も右を向いたり左を向いたりするのです。そして、「熱」とは分子の振動の事なので、水分子がクルクル回ると言う事は、すなわち食品が温まると言う事なのです。ちなみに、このように分子の片側がプラス、もう片側がマイナスになっている分子の事を「極性分子」と言います。なお、氷を温められない理由は、マイクロ波が水分子を揺さぶろうとする力よりも、水分子が「そのままの体制でいよう」とする力の方が強いからです。電子レンジについては、「電子レンジの台は何故回転する。」や「電子レンジに金属を入れてはいけない理由」にもあります。水は水素と酸素から出来ているのに何故燃えない。水は、水素と酸素から出来ている、と言うのは、中学校で習う事です。水素は、とても燃えやすい気体です。また、酸素は物を燃やす際に絶対必要不可欠な物です。水素と酸素が集まれば、簡単に燃えてしまいます。
では、その水素と酸素だけで出来ている水は、何故燃えないのでしょうか
それは、木を思い出してもらえればわかります。
木を燃やすと、後には灰が残ります(炭も残りますが、今はそれは無視して下さい)
灰は原料(灰になる前)は木です。木はとても燃えやすいですが、一度燃えて灰になると、もう燃えません。実は、水もこれと同じなのです。水とは、水素が燃えて出来た物質なのです。「燃える」と言う現象は、化学的には、「酸素と結びつく事」です。つまり、水素が燃えると酸素と結びつき、水になるのです。先ほどの例えと対応させますと、木が水素で、灰が水なのです。木(水素)はとても燃えやすいですが、灰(水)になると、もう燃えません。そのため、水は、水素と酸素から出来ているにも関わらず、燃えない、と言うわけなのです。100度のサウナで何故火傷しない。温泉には必ずサウナがついています。そのサウナの中には、温度計がついています。その温度計、大抵は100度前後を指しています。
100度といえば、水の沸点(実際には、100度が水の沸点なのではなく、水の沸点を100度にした)
枝豆は5分でゆだり、人間はあっと言う間に大火傷
なのに何故、100度のサウナは平気なのでしょうか
サウナと言うのは、湿度がものすごく低くなるように作られています。そのため、人がかいた汗が、すぐに蒸発し、体が冷えるようになっているのです。また、空気が熱を伝えるスピードが、水に比べて遅い、と言うのも理由の1つです。100度の水は、熱を伝えるのが速いので、手を入れた瞬間、熱が一気に手に伝わります。それに対し、100度の空気は、水に比べ熱を伝える速度が遅いので、中に入っても、体になかなか熱が伝わりません。そのため、同じ100度でも、空気なら火傷しにくいのです。サウナの中の湿度が高ければ、限りなく熱湯に近づくことになり、入った瞬間に大火傷をおってしまいます。
サウナを作る時は、湿度に十分気をつけて
電子レンジの台は何故回転する。電子レンジを使う時、一度は中を覗いているはずです。
その時、中にある台が回転しているはずです(ただし、旧式の物だと回転しないものもあります)
この台、名前をターンテーブルと言うのですが、何故回転するのでしょうか
電子レンジは、電波(電磁波)で食品を加熱しています(詳しくは「電磁レンジはなんで物を温められる。
」を読んで下さい)
電子レンジ内の電磁波は、レンジ内を反射しながら食品に達しますが、その状態だと電磁波が食品にまんべんなく当たらず、均一に加熱されなくなってしまいます。そのため、熱い部分と冷たい部分が出来てしまいます。ターンテーブルを回転させるのは、食品にムラ無く電磁波を当てるためなのです。電子レンジの台も、伊達に回ってはいないのです。なお、几帳面な人は、食品をターンテーブルの真ん中に置くかも知れませんが、それは止めた方がいいです。食品に電磁波を均等にあてるためには、食品になるべく動き回ってもらった方がいいのです。
つまり、食品は、ターンテーブルのなるべく端の方に置くのが、理想的な置き方
こうすると、電磁波が全体に均等にあたり、均等に食品が温まる、と言うわけです。なお、電子レンジについては上述の「電磁レンジはなんで物を温められる。」の他、「電子レンジに金属を入れてはいけない理由」もあります。エレベーターのワイヤーが切れたらどうなる。最近は、それほど高くない建物でも、エレベーターが必ずに等しいほどついています。
ところでこのエレベーター
よくよく考えると、かなり危険な代物では無いでしょうか
なんていったって、巨大で重い箱を、たった一本のワイヤーで吊るし上げているのですから
ところで、このワイヤー、切れたらどうなるのでしょうか
スローモーションで見てみましょう
規定の重さをこえ、ワイヤーが切れた。と言うか、箱が一気に落ちていく。一巻の終わりかと思いきや、底に付く前に止まる。実は、ワイヤーが切れた時の為に、ちゃんとブレーキがついているんです。
では、今度はそのブレーキが故障していた場合
その場合は、落ちていくしかありませんが、それでもそう簡単には底には激突しません。エレベーターは大きな筒の中を上下しているだけなので、空気の逃げ場がほとんど無く、急に落ちてくると中の空気が圧縮され、エアクッションとなり、ゆっくり降下していくのです。ですので、万一切れても、助かる可能性の方が高いのです。もちろん、完全に空気の逃げ場がないわけではなく、動かしやすいように、箱の周りにはある程度の隙間が設けられています。
そのため、空気の圧力だけで止まる事はあり得ませんが、ある程度のブレーキにはなるので、そのままストーンと落ちていく時に比べると、衝撃が少なくてすむ、と言う意味です。ちなみに、エレベーターに書いてある最大積載量や、何人乗り、と言うのは、10倍ぐらい見積もって作ってあるので、滅多に切れることはないそうです。
荷物を持って階段を上がる時上と下とはどっちが楽か
誰もが一度は考えたことがあるでしょう
学校で給食を運ぶ時、引越しの時、楽器を運ぶ時
ともかく、2人で重い荷物を持ち、階段と上がるとき、果たしてどっちの方が楽なんでしょう
上の言い分、下の言い分は、それぞれこうなります。上の言い分;モノは重力によって、下に引っ張られているんだから、モノの重さは下にかかっているはずだ。だから上の方が楽だ。下の言い分;上はモノを引き上げなきゃいけないから、下の方が楽だ。
さて、両者の意見は、平行線
何ら決めてもありません。
力学はどちらの見方をするのでしょうか
結論から言いましょう
実は、荷物が2人の真ん中にあるとき、2人にかかる重さは全く同じなのです。階段のような傾斜があるところでも、力学的にはどちらかが重くなるなんてことはないのです。
ただし、これは荷物の「重心」が、2人の真ん中にある場合
重心とは、物の重さの中心
「やじろべい」と言うおもちゃがあります。真ん中に人形があって、その左右に長い棒が伸びているおもちゃです。この真ん中の人形を指に載せると、人形は指から落ちることなく、そこに留まります。
これは、やじろべいの重心が、ちょうど指の真上に来るように設計されているため
指の上でボールを回転させたり、長い棒を載せたりするのも、それぞれボールの重心が、棒の重心が、指の真上に来ているからです。この重心が少しでも指の上からずれると、物は簡単に落ちてしまいます。
この重心が、2人の真ん中にある時
この時は、上だろうが下だろうが、どっちでも荷物の重さに差を感じません。しかし、重心が真ん中からずれると、話は変わってきます。仮に下にずれると下の人、上にずれると上の人の方が、重く感じるのです。なお、これは、階段だろうがどこだろうが、同じ事です。重心が2人の真ん中なら、階段でも平面でも重さは変わらず、重心が片方によっていれば、階段でも平面でも、重心に近い方が重く感じます。
もし、重い荷物を2人以上で運ぶ場合
荷物の重心から、一番離れた場所が一番軽くなるので、覚えておくと、こっそり楽が出来るかも知れません。火に息を吹きかけると何故消える。誕生日パーティーの時、ケーキの上に並んだロウソクの火に息を吹きかけ消す。
どこにでもある、おなじみの光景ですが、ここで一つ疑問は湧いてこないでしょうか
『何故ロウソクの火に息を吹きかけると火が消えるのか
聞かれて答えられる人はなかなか少ないでしょう
さらに、たき火などの大きな火には、息を吹き上げると逆に燃え上がります。考えれば考えるほどこんがらがりそうですが、理論だてて考えれば簡単にわかります。火が燃えるためには、3つの物が必要です。
燃える物、燃えるための熱、そして酸素
このどれか一つでもかけると、火は燃えません。
ロウソクはと言うと、酸素はもちろんあります。燃えるための熱は、マッチやライター等からもらいます。
では、燃える物とはなにか
燃える物とは、気化した蝋(ろう)
息を吹きかけると、その蝋が吹き飛ばされ、燃える物が無くなります。その為、火が消えるのです。たき火などの大きな火は、息を吹きかけたぐらいでは燃える物は吹き飛びません。その為、消えないのです。火が燃え上がる理由は、吐いた息に含まれる酸素の影響で、燃え上がるのです。火に水をかけると何故消える。
上に引き続き、火の話題
「火は水で消える」これは常識です。
では、何故火に水をかけると消えるのでしょうか
火が燃えるためには、3つの要素が必要です。3つの要素とは、燃える物、燃えるための熱、酸素です。このどれか一つが欠けると、火は消えてしまいます。
では、水をかけるとどれが欠けてしまうのでしょうか
水が酸素を遮る。
水が火の温度を下げる
とりあえず考えられるのはこの2点
では、どちらが正解なのでしょうか
正解は、両者
でも、厳密には前者はちょっと違います。
順を追って説明しましょう
まず、火に水をかけると、水は火の熱を奪います。すると、当然燃えるための熱が減り、火が消えるか、消えはしなくともかなりアンバランスな状態になります。そして、水が火から熱を奪えば、当然水は熱せられ、水蒸気となります。水は水蒸気になると、体積が何倍にも増えます。水が火の上で水蒸気になると、体積が何倍にも増えるため、周りの酸素が全て押しのけられます。そのため、酸素が無くなり、火は消えてしまうのです。火に水をかけると消えるのは、水が火の熱を奪い、同時に気化して周りの酸素を押しのけるため、なのです。胃のレントゲンを撮る時何故バリウムを飲む。
胃のレントゲンの時に必ず飲むバリウム
最近、バリウムを飲む必要のない胃の検査も開発されていますが、まだバリウムを飲む場合の方が多いようです。
あの変な物、一体何故わざわざ飲むのでしょう
知っての通り、レントゲンは骨を写します。レントゲンはX線写真と言う名の通り、X線を体に通し、骨の写真を取ります。X線は色々な物をすり抜けると言う性質を持つ電磁波で、人体では、主に骨以外のものなら何でもすり抜けます。しかし、X線で胃を見たい。
ではどうすればいいか
こうして考えられた方法が、「胃の中にX線を遮る物を入れる」と言う方法でした。X線を遮るものは、金や銀、鉛、水銀、バリウムなど、原子量(原子の重さのようなもの)が大きいものに限られます。
金、銀は高価だし、水銀や鉛は有害
そういう訳で、バリウムを飲む事に決定したのです。発電所はどうやって発電している。
今や、我々の生活にはなくてはならないものと化している電気
今現在あなたが使っているパソコンも、電気がなければ動きません。
さて、電気は発電所で作られているわけなのですが、一体どうやって電気を作っているのでしょうか
電気は、タービンを回して作っています。
火力発電所なら、火で水を蒸発させ、その水蒸気で
原子力発電所なら、原子力で水を蒸発させ、その水蒸気で
風力発電所なら風圧で
水力発電所なら水圧で
それぞれタービンを回しています。
では、タービンとはなんでしょう
そして、何故タービンを回すと電気が起きるのでしょうか
まずは、「タービンとは何か」から答えましょう
タービン、と言うのは、自転車についている発電機とほぼ同じで、中にモーターが入っています(正確には、タービン≒モーターです)
実は、モーターで電気を起こすことが出来るのです。モーターの回転部分に何か回し易いように取ってを付けて下さい。そして、電極に豆電球を取り付け、モーターの回転部分を回して下さい。見事、豆電球が点灯するはずです。これは、フレミングの右手の法則、と言うものを利用したものです。
フレミングの右手の法則を、簡単に説明しましょう
わかりやすいように右手を出して下さい。その右手を、子供が手でピストルの形を作る時のように、3本の指を曲げて下さい。親指を上に向け、人差し指が前、中指が左方向を指すようにしてください。さて、これは親指が速度の向き、人差し指が磁界(の向き)、中指が電流(の向き)を表しています。モーターの中には磁石が入っていて、これが磁力を発し、磁界を作り出しています。
そして、モーターを回転させ、回転方向(右回しなら右、左回しなら左
つまり親指の方向)に、力を加えます。
すると、中指の方向
つまり、磁界の向きと、力の向きのちょうど垂直方向に電流が生じるのです。発電機(タービン)はこの法則を利用して、発電をしているのです。
では、何故こんな事で電気が起きるのでしょうか
実は、物を構成している最小単位、「原子」が、既に電気を帯びているのです。
原子とは、今述べたように物を構成している最小単位
この世に存在する全ての物質は、この原子が積み重なって構成されています。そしてこの原子は、原子核と、それを取り囲む電子からなっています。
ところで、「電気」とはなんでしょう
電気とは、この電子が流れの事です。そしてこの電子は、原子の中で常に原子核の周りをグルグルと回り続けており、同時に自転も行っているのです。
グルグル回る事により電流が生じ、自転を行う事で磁力が生まれます(不思議ですが、そうなってます)
普通のものは、ここで生じた磁力の向きがバラバラなため、目に見えてわかる磁力はありませんが、磁石のように、ここで生じた磁力の向きを揃えたものだと、あのように目に見えてわかる磁力が発生するのです。
さて、電子の流れが電気の流れです(実際には電子の流れる向きと電流の向きは逆方向なのですが)
そして、磁力を帯びたものは電子の向きが綺麗に揃っています。つまり、電子の向きが揃ったものを動かすと、それが電子の流れとなり、電気に変わるわけです。
整理すると、電子が動き、電流が生じる→電流が生じて、磁力が生じる→磁力のあるものを動かすと、電子が動く→電子が動くので、電流が生じる。これが、グルグルと繰り返されるため、モーターを回転させると、電気が発生するのです。ただ、この原理は、今もっともらしく説明しましたが、電流が生じると何故磁力が生じるか、など、まだ完全には解明されていない部分もあります。
真空の中でマッチを擦ると
真空、と言うのは空気がない事です。
「空気がない、と言うことは酸素もないわけだから、マッチは発火しない」
おそらくほとんどの人が、こう答えてしまうのではないでしょうか
しかし、実はこれは間違いなのです。「燃える」という現象は、化学的に言うと「急激な酸化反応」と言うことになります。
(ちなみに、更に急激な酸素反応(瞬間的な酸素反応)のことを爆発、ゆっくりとした酸化反応のことを、錆びる、といいます)
つまり、酸素が不可欠、ということです。
が、忘れてはならないのは、マッチの先端に、実は酸化剤が塗ってあること
酸化剤とは、物を燃えやすくするために使用する物質の事で、たいていが、何かと酸素の化合物(酸素と結び付いた物)です。マッチの場合、酸化剤には塩素酸カリウム(化学式、KClO3)が使われています。さらに可燃剤として硫黄が使われ、マッチ箱にも発火剤として赤リンが塗ってあります。そのため、たとえ酸素がない状態でも、摩擦によって加熱されれば、硫黄の部分だけは発火します。
ただし、硫黄が燃え尽きてしまえば、それまでの命
マッチの軸に燃え移ることはありません。ちなみに、上の化学式の、「C」の次のアルファベットは小文字のLです。硫黄と赤リンがこすれると、熱が発生し、塩素酸カリウムの酸素が、硫黄と反応して、マッチが燃えてくれるのです。イヌ笛の音は何故人には聞こえない。
イヌの調教などで使われている、イヌ笛
このイヌ笛の音は、人には聞こえないのですが、何故でしょうか
これは、周波数に大きな関係があるのです。
そもそも、「音」とはなんでしょう
音と言うのは、主に、空気の振動の事です。例えば、手を叩いた時音が聞こえるのは、手を叩いた事により手の周りの空気が振動し、その振動が耳に届くためです。音は、空気以外にも、水や土、鉄などでも伝わります。この「振動」を、「波」と捉えるのです。
そして、1秒間に何回この「周期」があるかを数字で表したのが「周波数」
さて、人間が聞こえる音の周波数は、個人差がありますが最大で約2万Hz(資料によっては、16万とも
一方、イヌ笛は、だいたい2万Hz〜3万Hzの音を出すので、人間には聞こえないのです。ですが、イヌは2万Hz〜3万Hzの音を聞き取れますので、イヌにはちゃんとイヌ笛の音が聞こえるのです。ちなみに、人間が聞こえる周波数より、高い周波数(2万Hzより高い周波数の音)を高周波数、又は超音波、と言います。
マイナスイオンってなに
「マイナスイオン」と言うのをたまに聞きますが、これは一体なんでしょう
滝の下にはマイナスイオンが豊富、なんてことも聞きますが、それは真実なのでしょうか
まずは、「イオン」についての説明をしましょう
「イオン」とは、簡単に言うと、物質を構成している「原子」というものが、電気を帯びた状態のことをいいます。つまり、物質を構成している「原子」というものが電気を帯びると、「イオン」と呼ばれるようになるのです。
この「イオン」がマイナスの電気を帯びていると、「マイナスイオン」と呼ばれるわけです(ちなみに、プラスの電気を帯びていると「プラスイオン」と呼ばれます)
では、どうやってマイナスの電気を帯びているのでしょうか
「原子」と言うのは、大きく3つのもので構成されています。
このうち「陽子」はプラスの電気を、「電子」はマイナスの電気を、帯びています(「中性子」は、電気を帯びていません)
原子はこの3つで構成されているのですが、このうちの電子が時々原子から抜け出したり、他から入ってきたりするのです。原子はそのままの状態だと、陽子の数と電子の数が等しく、お互いにお互いの電気を打ち消しあっています。しかし電子が抜け出すと、電子の数の方が減ってしまうので、電気が打ち消しあわずプラスの電気を帯びてしまうのです。逆に、他から電子が入ってくると電子の数の方が多くなるので、マイナスの電気を帯びます。そしてこれが、「マイナスイオン」と言うわけです。
一時流行った「マイナスイオン」とは、水のマイナスイオン
つまり、マイナスの電気を帯びている水の原子(正確には分子
分子とは、原子の集まったもの)が流行っていた訳です。この(水の)マイナスイオンは、衝撃によって大量放出されます。ですので、大量の水が莫大な衝撃を受ける滝の下はマイナスイオンが豊富、と言う訳です。
では、ここで自宅で簡単にマイナスイオンを発生させる方法を一つ
その方法とは、「シャワーを浴びる」
ただこれだけです。
シャワーを浴びますと、その衝撃によりマイナスイオンが放出
十数分間シャワーを浴びただけで、お風呂場はあっという間にマイナスイオン室と化します。「半身浴」というのがありますが、シャワーを浴びた後にやれば、プラスアルファ効果も期待できるかもしれません。
ただ、実を言うと、「マイナスイオンが体に良い」と言うのは、科学的に全く根拠のない話
今現在(2005年4月)、「マイナスイオンが体に良い」と言う科学的証拠は、全くないのです。炭酸水に入れた氷は、何故速く溶ける。同じ室温、同じ水温、同じ量の炭酸水と水に氷を浮かべると、炭酸水に入れた氷の方が、速く溶けます。
これは何故でしょうか
炭酸水と言うのは、その名の通り、炭酸の入った水です。炭酸とは、二酸化炭素のことです。炭酸水には、この二酸化炭素が、普通に溶けきれる量よりも、多い量が無理矢理溶かし込まれています。その為、ちょっとの刺激で、すぐに二酸化炭素の泡が発生してしまいます。
氷を入れることも、炭酸水にとってはかなりの刺激
その為、泡が大量に出ます。ここに氷の速く溶ける秘密が隠されているのです。
冷える、と言うのは、「冷やすもの」が「冷やされるもの」から熱を奪い取ること
当然、いつまでも冷やし続ければ、「冷やすも」のと「冷やされるもの」の温度は同じになります。こうなると、「冷やすもの」は、もう「冷やされるもの」からは熱を奪いません。
これを氷と水に当てはめて考えてみましょう
冷やすものが氷、冷やされるものが水です。氷は、水の中に入れられると、すぐさま自分の周りの水(接している水)を冷やします。しかし、自分の周りの水(接している水)を冷やしてしまうと、それより外側にある、接していない水は、なかなか冷やすことが出来ません。
しかし、炭酸水では、二酸化炭素が大量に出ているため、冷やされた二酸化炭素がどんどん外に出ていく上に、二酸化炭素が下から上へ行くので、コップの中の液体が、グルグルとかき回されます。この二つが掛け合い、一番上で述べたような現象がおこるのです。寒い日に息を吐くと、何故白くなる。冬に息を吐くと、息が白くなります。
誰でも知っている事ですが、そう言う事ほどナゾが多いもの
一体何故吐く息が白くなるのでしょうか
それは、吐いた息の中身に関係があります。「息」と言えば、当然空気です。空気と言うと、酸素、窒素、二酸化炭素ぐらいしか入っていないように思えますが、実は他にも色々入っています。
そして、そのうちの1つ
「水蒸気」が、この白い息の正体なのです。寒い日に息を吐くと、息の中の水蒸気が冷やされて水になり、あの白い煙のようになって現れるのです。そう、あの白いものは水蒸気が液化した、ただの水なのです。ちなみに、お湯を沸かしたときに見られる湯気も、これと全く同じ原理で現れるのです。ただ、お湯を沸かした場合は、お湯の温度が何十度もある為、暑い真夏でも湯気が出るのです。理論上は気温が自分の体温より低い場合に息が白くなります。(その割には、気温が15度ぐらいでは息が白くならない。
見えないだけなのか、それともなにか別な要因が有るのかは不明)
なお、白い息は途中で消えてしまいますが、これはこうして説明できます。空気には「飽和水蒸気量」と言う物があります。これは、「空気が取り込める最大の水蒸気の量」と言う意味です。空気中の水蒸気の量が、飽和水蒸気量に近くなると、水は徐々に蒸発しにくくなります。しかし、実際そこら辺の空気が飽和水蒸気量ギリギリまで水蒸気を溜め込むことは、滅多にありません。そして、白い息の正体の水は、ものすごく細かいため、温めなくても、すぐに蒸発してしまうのです。そのため、白い息を吐いても、すぐに見えなくなってしまうのです。ちなみに、この白い息は、南極では現れないそうです。水蒸気が水になるためには、低い温度の他に、ホコリなど、「核」になる物が必要なのです。しかし、南極は空気が澄んでいるため、この「核」が存在せず、場所によっては、いくら息を吐いても白くならないんだそうです。
冬になるとガラスが曇るのは何故
冬になると、ガラス窓がうっすらと曇ります。
さて、これは何故でしょうか
一番簡単な解決方法は、触ってみれば解ります。
曇ったガラスを触ると
指が濡れますよね
そう、つまりあれは水の粒なのです。
では、何故水の粒
水滴がつくのでしょうか
冬は、大抵の家では家の中でストーブなどをつけ、部屋の中を温めます。すると、部屋の外の空気(外気)と部屋の中の空気との間に、温度差が生じます。当然、中が高くて外が低いです。しかし、いくら部屋の中が暖かくなっても、窓ガラスは外気に触れているので、冷たいままです。そのため、窓ガラスに触れている空気の中にある水蒸気が冷やされ、水滴と化すのです。そして、水滴が窓ガラスにつく、というわけです。これは、上の理論と、ほぼ同じです。ちなみに、夏に冷房をガンガンに効かせると、まれに窓ガラスの外側に水滴がつきます。これは、いま説明した現象が、外と中とが入れ替わっておこるからなのです。こうなったときは、冷え過ぎです。
すぐに冷房を弱めましょう
ちなみに、寒いところから急に暖かいところに来るとメガネが曇りますが、それも同じ原理です(ですので、曇りを取りたければ、温めましょう)
カイロがお店に並んでいる間に冷めないのは何故
冬になるとお世話になるカイロ
さてこのカイロ、体を温めるのに使いますが、使っている間にどんどん熱が弱くなり、最後には無くなってしまいます。なのに、お店に並んでいる間に冷める、と言うことはありません。
これは一体何故でしょうか
それにはまず、カイロの原理を知っていなければなりません。カイロの中には、鉄の粉が大量に入っています。この鉄の粉が熱を発生させているのです。鉄というのは知っての通り錆びます。この錆びるときに、熱を放出するのです。カイロは、この原理を応用して、熱を発生させているのです。錆びる、と言う現象は、鉄と酸素が化合(酸化)する(結びつく)ことです。ですので、酸素を遮断すれば鉄が錆びず、熱が出ません。そのため、お店に並ばせるときは真空パックに入れ、酸素を遮断しているので、鉄の粉は錆びず、熱も出ません。ちなみに、振ると速く温まる、と言いますが、あれは正論なのです。振らないと、中にある鉄の粉が密集しており、奥の方の鉄の粉が酸化できません。しかし振ると、鉄の粉がかき回され、多くの粉が酸素と触れる事になり、速く多くの熱が出る事になります。酸化すればするほど温まるので、速く温まる、と言う訳です。もちろん、全てが酸化しきってしまえばそれまでの命なので、振ると温まるのも速いですが、その効果が切れるのも速いです。また、カイロの中には、単純に鉄の粉だけが入っているわけではなく、他にも色々入っています。水や塩、そして木の粉などです。
カイロは鉄が酸化すると熱を発生させる原理を利用したもの
塩水を鉄にかけると、この酸化が早まるのです。その塩水を木の粉に染み込ませておくことで、徐々に鉄に塩水を触れさせます。この分量を何度も変え、発熱時間を計測し、熱の持続時間が長過ぎず、遅過ぎないカイロを誕生させたのです。
バスの中で最も揺れない場所はどこ
バスが左右に曲がると横揺れが起きて客は左右に振られ、デコボコの道路では車体が縦揺れして客は上下に振られます。
それではバスのどの位置が一番揺れないのでしょうか
バスがカーブするときは、車体の横揺れが最も大きいのは最前列です。逆に横揺れが最も小さい場所は、後輪の上です。それは、バスがカーブするときに、二つの後輪の中央を支点として回転するからです。車体の一番後ろも、方向転換の支点(=後輪)から遠ざかるので、揺れが大きくなります。一方、デコボコの道路での縦揺れでは、車輪の上が一番揺れます。
これは、地面のデコボコが、車輪を伝わって、車体に伝わるため
車輪に近いところほど揺れがひどく、遠いところほど揺れが小さくなります。
つまり、縦揺れが最も小さいのは、前輪後輪から最も離れた位置
おそらく前輪と後輪の中間付近になるのでしょう
ただ、前述したように、この位置は、後輪の真上に比べ、横揺れが大きくなっています。
しかし、後輪の真上より大きいとは言え、他の場所と比べれば、だいぶ小さいところ
よって、バスの中で一番揺れないのは、前輪と後輪の中間、と言う事になりそうです。
デコボコ道を走る場合は、前輪と後輪の中間、カーブの多い道を走る場合は、後輪の上
と、2つを使い分けると、より揺られないで済むかも知れません。
何故夏は暑く冬は寒いのか
日本では、夏はとても暑くて、冬はとても寒いです。北海道など、夏は最高気温30度近く行くのに、冬は最低気温が氷点下何度です。
これは、常識ですが、一体何故夏は暑くて冬は寒いのでしょうか
結論から述べますと、太陽からの熱の受け具合が違うからです。と言っても、太陽との距離が変わっているわけでも、太陽が小さくなっているわけでもありません。
厳密に言えば、太陽との距離は若干変わっているのですが、それは、地球と太陽の距離(約1
地球の気温に影響を及ぼすとは、到底思えません。
さて、では、いったい何故熱の受け方が変わるのでしょうか
これは、地球規模の問題になります。
地球は、コマのようにグルグルと回転しています(これを自転と言います)
この回転の軸は、太陽に対して直角ではなく、微妙に傾いているのです。
そして、地球は更に太陽の周りを回っています(これを公転といいます)
地球は傾いているので、太陽に対してどこにいるかで、太陽の熱の受け方が違ってきます。夏はほぼ真上から太陽の熱を受けるのに対し、冬は南の方から熱を受けます。受ける角度が違うと、地上に熱が届くまでの空気の厚さも違ってきます。そうすると、届くまでに奪われる熱の量に差が出てきます。その為、冬は寒くなるのです。また、真上から受けるのと、南の方から受けるのとでは、同じ面積に対する光の強さもだいぶ違ってきます。これは、簡単な実験で試すことが出来ます。紙と懐中電灯を用意してください。そして、紙を地球(日本)、懐中電灯を太陽だと思ってください。まず、懐中電灯を紙の真上に持ってきて、光を当てます。これが夏です。
次に、懐中電灯を傾けて紙に光を当ててください(いっそのこと、懐中電灯を寝かせてもいいです)
すると、光が当たる部分が広くなるはずです。これが冬です。冬の方が、夏よりも、光の当たる面積が広くなります。
しかし、懐中電灯から放たれる光の量は同じ
例えば、この時放たれる光の量が100だとすると、夏は10ぐらいの面積で100の光を受けるのに対し、冬は100ぐらいの面積で、100の光を受けます。すると夏は、面積1で受ける光の量が10なのに、冬は1しか受けられません。そのため、寒くなってしまうのです。光の量が減ると、何故寒くなるかというと、地球は、太陽からの光で温まっているからです。先ほどから、「太陽の熱」と言っていますが、正確には「太陽の光に含まれる赤外線」なのです。この赤外線が「太陽の熱」であり、これが当たる量が減れば、当然寒くなる、と言うわけなのです。今回の雑学は、言葉だけではちょっと分かりにくいと思いますので、絵も用意しました。重いかもしれません。真空パックは真空じゃない。食料品は、酸素に触れると変質します。そこで、密閉容器に入れて酸素を断てば、変質を防ぎながら長期間保存することができます。真空パックはそのうちの一つの方法ですが、実は真空パックは本当の「真空」ではありません。真空とは、いかなる物質も全く無い状態(空間)を言います。完全な真空は現在の科学技術では、作り出す事が出来ないのです。真空パックや真空管の真空は低圧(減圧)のことで、その中にはたくさんの気体分子が残っています。1気圧の気体だと、一平方センチメートルの体積に1兆個の3千万倍もの分子があり、現在(2001年)最も高性能の真空ポンプを使っても、3万個の分子が残ってしまうと言われています。真空は人工的に作り出すことはできませんが、宇宙には真空に近い空間があります。それは銀河系の外にあって、その空間は1平方メートルに原子が1個しかないようなところで、ほとんど真空状態なのです。ただし、ここでも「ほとんど真空」なのであり、「完全な真空」ではありません。実は「完全な真空」は、自然界には存在しない(発見されていない)のです。ですので、「宇宙=真空」と言うイメージが強いですが、実は宇宙は真空ではありません。何も無いように思える宇宙空間でも、目に見えない多くの原子が、そこら中を飛び回っているのです。北極点に方位磁針を置くとどうなる。
誰もが一度は考えるこの疑問
果たして、北極点に磁石を置くとどうなるのでしょうか
やはり、真下を向いて直立するのでしょうか
と思いきや、実は直立などせずに、方位磁針のN極は南東の方角を指します。これはいったい何故かと言うと、方位磁針が指している北とは、北極点ではなく「北磁極」だからです。
しかし、どうして北極点と北磁極はずれているのでしょうか
北極点は地球の自転軸の北端にあります。一方、北磁極は、地球内部の核の自転軸の北端にあたります。核はどろどろの溶岩のようなものですので、地表面の自転と核の自転との間にわずかなずれが出来るのです。これが北極点と北磁極が異なる理由です。しかも、この北磁極、なんとたえず移動をしています。ですので、「方位磁針は常に一定の方向を指す」と言いますが、あれは厳密には間違いなのです。この移動の際、過去に何度か北極点と北磁極が一致した事ももちろんあります。が、北極極と一致する事は、まれな事なのです。
ちなみにこれは南極でも同じ事
南極点と南磁極とがあり、両者は微妙にずれています。もし北極点、南極点に行きたい場合は、方位磁針ではなく、天体を目印にして行かないと、なかなか両極点にはたどり着きません。
この極点と磁極のずれは、日常生活ではもちろん問題ありませんが、航海の際などは、常にこのずれを考慮しており、もし考慮しないと、とんでもないところに出てしまう恐れがあるとか
なお、北磁極、南磁極に行くと、ちゃんと直立した方位磁針を見る事が出来るんだそうです。
ストローで何故水を吸い上げられるのか
意味が解りにくいかもしれませんので念の為
つまりこういうことです。
『上にあるのは空気なのに、空気を吸って水が昇ってくるのは何故か
ちょっと考えればわかるかもしれませんが、これは簡単な物理を応用しています。ストローで水を吸い上げようとする場合、まずは上にある空気を吸うことになります。すると、そこの空気は当然吸い込まれていき、ストロー上部は空気が薄くなります。空気が薄くなる、と言う事は、空気の圧力(気圧)が低くなる、と言う事です。当然、その気圧が低くなった部分から見ると、その真下の空気は気圧が高く見えます。
空気と言うのは、気圧が高いところから低いところへと流れる習性を持っています(他のほとんどの物質もそうです)
そのため、真下にある空気が上へ昇ります。すると当然その更に真下は空気が薄くなるので気圧も低くなり、そのまた更に下の空気が上に上がります。これが繰り返され、ついには水も上へ昇り、最終的に口まで到達するのです。
アイロンでどうしてしわが伸びるのか
洗濯した後、服にアイロンをかけます。
するとしわが伸びるわけですが、考えてみるとなかなか不思議
いったいどういうわけでしわが伸びるのでしょうか
これにはまず、しわの原因を知らなくてはいけません。
しわの原因は、実は分子単位の問題
服の繊維の分子は、結合が強いところと弱いところがあります。当然弱いところは折れ曲がりやすく、そこがしわとなるのです。
アイロンでは、まず、その弱い部分の結合を熱と水で一旦緩めます(スチームの場合
スチームが無ければ、熱だけ)
そして、その緩んだ状態で上から圧力をかけ、分子を平らに並べます。最後に、分子が自分でくっ付くのです。アイロンは、この一連の作業を、ほとんど一瞬のうちに行っているのです。アイロンは熱だけしかないように思えますが、アイロンによってはスチームが出たり、人によってはアイロンがけをする前に霧吹きで服を湿らせます。これらは、分子の結合を緩める働きがあるわけです。水と熱、そして力の3つを駆使し、分子を真っ直ぐにするのです。
ちなみに、クリーニング屋によっては、この効果をもろに引き出すため、アイロンからものすごいスチームが出たり、洗濯した後、あまり乾かさないでそのままアイロン掛けしたりするところもあるとの事です。
何度も噴火して、マグマが無くなることは無いのか
火山が噴火すると、火口から高温のマグマが流れ出します。激しい噴火の時には、大量のマグマが一気に流れ出ます。
さて、地球上の火山は、いままで何度も噴火をしてきたわけですが、果たしてマグマが尽きることは無いのでしょうか
結論から述べますと、物理上は無くなります。マグマは、地殻(ちかく/地面)と核の間に挟まれたマントルと言う層の上の方、地下70〜200kmくらいのところで発生します。そしてマグマは隙間をぬうようにして地下数km〜数十kmぐらいのところに上がり、マグマだまりを作ります。噴火によって地表にマグマが流れ出すと、その分だけマグマが減ります。
地球には、マグマが無限にあるというわけではないので、いつかは無くなりますが、一回の噴火で出る量は、地球全体から見ればちっぽけなもの
先ほど「無くなる」と豪語しましたが、無くなると言えば無くなるし、無くならないと言えば無くなりません。
仮に無くなるにしても、何十億年、何百億年も先
マグマが尽きる前に、地球が消滅していることでしょう
ただ、大きな噴火の時には、先ほど言ったマグマだまりにあるマグマが無くなってしまうことがあります。そのとき、地中に出来た隙間に地面が沈んで、「カルデラ」と言うくぼんだ地形が出来ることもあります。ちなみに、いま説明したマグマのある位置ですが、これらは全て推測です。実は、人類はまだ地球内部を完全に観測したことは無く、地球の内部構造は全て推測なのです。蛇口の内側のギザギザは何のためにある。水道の蛇口の中を覗くと、ギザギザの金具がはめ込まれています。家庭用のものだとそれが見えないものもありますが、学校の水道などはもろに見えます。
この金具は何のためにあるのでしょうか
まさか、こんなところに飾り、と言うわけではありません。
この金具は「整流板」と言い、その字の如く、「流れを整える板(では詳しく説明しましょう
全ての物体には「慣性」と言うものがあります。
これは、「物体が外力の作用を受けない限り同じ運動状態を続けようとする性質」の事
噛み砕くと、「誰かが手を貸さないと、物は動く事も止まる事も出来ない」と言う事です。この慣性は水にもあります。さて、水は蛇口に来るまでに、曲がりくねった水道管を通ってやってきます。そのため、蛇口から出てきてもその曲がりくねった慣性が残っているのです。この整流板は、その慣性を消すためのものなのです。この整流板がなければ、蛇口から出てきた水はテンデンバラバラな方向へ飛び出て不規則にうねり、とてもじゃないけどコップに水など注げません。目立たない存在ですが、ものすごい大活躍をしているのです。
鉛筆で文字が書けるのは何故か
どんなにパソコンが普及して、ノートパソコンが小型化されようとも、なかなかすたれないのが鉛筆(シャープペンシル)
さて、この鉛筆、紙の上をこすると文字が書けるわけですが、一体何故でしょう
鉛筆の先端を、超拡大して見てみましょう
まず、鉛筆の黒い部分の説明から
鉛筆は「鉛(なまり)の筆」と書くぐらいで、あの黒いものは鉛(黒鉛)です。黒鉛は比較的もろく、紙に乗せた瞬間、砕けます。そして、紙の上をこすったときも砕け続けます。
紙は、一見ツルツルのようですが、実はものすごいデコボコ状態
黒鉛は、このデコボコに削り取られてしまうのです。そしてその破片が、このデコボコのへこんだところにはまり、あのように黒い線として我々の目に映るわけです。これはもちろんシャープペンシル(通称シャーペン)も同じことです。鉛筆の芯の原料は、黒鉛とねん土です。この2つを混ぜ合わせるとき、黒鉛が多いほど軟らかく、濃い線が書ける鉛筆(B)となります。逆に、黒鉛を少なくしてねん土を多くすると、硬く、薄い鉛筆(H)が出来上がります。ちなみに、「F」と言うのは、HとHBの中間で、ファームと言うのは「丈夫」と言う意味です。
プラスとマイナス
ネジには、頭部に「−」の溝がついているマイナスネジと「+」の溝がついているプラスネジがあります。主なものとしてはこの2つがあるのですが、実は現在、マイナスネジはどんどんすたれてきているのです。それはなぜかと言うと、主な要因は工場の機械化です。
ドライバーでネジを絞めるとき、プラスネジはドライバーに引っかかり、下を向けてもあまり落ちないのですが、マイナスネジは下を向けたり傾けたりしただけで簡単に落ちてしまいます。人間なら、そのとき拾えばいいのですが、機械だとそうもいかず、プラスネジの方が多用されているのです。また、マイナスネジよりもプラスネジの方が力を加えやすい、と言う利点もあります。マイナスネジは2つの面でしか力を加えられませんが、プラスネジは、4つの面で力を加えられるからです。
では何故いまだにマイナスネジが存在するのでしょうか
また、何故マイナスネジが考えられだされたのでしょうか
実は、現在上にも書いたように、マイナスネジはほとんど売ってませんし、特別な場合でなければ、たいていプラスネジで済みます。
マイナスネジが考え出された理由はわかりませんが、おそらく溝が一本なので作りやすかったことが主な理由でしょう
また、実はプラスネジとは、あとから考え出されたものなのです。実に単純な発想に見えますが、意外にもそうでもなかったのです。プラスネジは1935年、アメリカのフィリップと言う技術者が発明した物で、それまで誰も「+」型のネジは思いつきませんでした。フィリップはラジオの箱にマイナスネジで部品を取り付けているとき、ドライバーが滑ったり、ネジの溝が潰れたりして、いつもイライラしていました。
「なんとかならないものだろうか
そう考えていたある日、彼はひらめきました。「そうだ、ネジの溝をプラス型にすれば、ドライバーの滑りを無くすことができ、しかもしっかり締め付けることができるはずだ。
彼は早速それを試作し、1935年にその特許を取得
彼の考えた通り、滑らずしっかりと締め付けられるネジが世界中に広まっていったのでした。
宇宙には空気がないのに、太陽の熱が地球に届くのは何故か
熱は、なにか物がなければ、周りに伝わることはできません。ストーブをたいて部屋が温かくなるのは、空気があるからです。
では、空気のない宇宙、太陽からの熱はどうやって届いているのでしょうか
実は、太陽の熱とはストーブの熱とは違って、赤外線なのです。赤外線は別名「熱線」と呼ばれるほど熱効果が大きく、物にぶつかるとそれを温めます。この「物」は別になんでもよく、空気だって構いません。つまり、太陽からの熱は全て赤外線で、赤外線が空気その他にぶつかりそれらを温め、地球全体を温めているのです。ちなみに、コタツや電気ストーブも赤外線です。
新しい電池と古い電池を同時に使うとどうなるのか
最近の電気製品は、電池を2個以上使用するものが大量にあります。
さて、この電池
注意書きに必ず「古い電池とは併用(へいよう/同時に使用すること)しないでください」と言った感じのことが書かれています。
では、もし新しい電池と古い電池を併用すると、どうなるのでしょうか
古い電池は、当然のごとく残りの電気容量が少なくなっています。これに対して、新しい電池は電池容量がほぼ100%あります。この2本を同時に放電させると、古い電池が電気容量の高い新しい電池の影響を受けて、強制放電を起こしてしまうのです。つまり、残りの容量の少ない古い電池から大量の電気が一気に流れ出てしまうのです。そのため、液漏れしたり、破裂してしまうこともあるのです。また、古い電池は、新しい電池に比べ、電圧(電気を出す力)が弱くなっています。そのため、新しい電池から、古い電池へ電流が流れ込み、やはり液漏れをしたり、破損したりしてしまう可能性があるのです。
電池を使用する際は、十分ご注意を
ちなみに、マンガン電池とアルカリ電池の併用もダメとされています。これも、両電池の電圧が違うため、上記のようなことが起こる可能性があるからです。
テレビ映像内で回転しているものが逆に回るのは何故
テレビ画面の中だと、扇風機や車のタイヤなどが回転している時、逆回転をしているように見える事があります。車は前に進んでいるのに、タイヤは逆に回っている。と言う奇妙なことが起こっているように見えるのです。
この現象は、どうして起こるのでしょうか
これは、テレビの放送や映画のフィルムに関係があります。
フィルムには、1秒間に何コマ、何十コマと言う速さで映像(画像)が録画されます(テレビの場合は、1秒間30コマ)
すると当然、一つ一つの画像の間には0
0何秒と言う間があきます。そのため、車輪のように回転が速すぎる物体の場合、1コマ目と2コマ目の間に、車輪がほぼ1回転してしまいます。すると、1コマ目で撮った時より、2コマ目の時の方が、タイヤが「少し手前」で撮影されてしまうのです。これが連続すると「少し手前」「少し手前」と続き、最終的に「逆回転をしている映像」となってしまうのです。また、タイヤの回転数の違いなどにより、ゆっくり回転しているように撮影されたり、止まっているように撮影できてしまう、と言うわけなのです。これが、テレビ映像でタイヤが逆回転する真相です。もちろん、現在はフィルムなど使っていませんが、原理的には全く同じです。
ビール瓶やドリンク剤の瓶が茶色いのは何故か
ビールやドリンク剤に共通しているのが、瓶の色が茶色、と言うことです。
いったい、何故茶色い瓶が使用されているのでしょうか
実は、これには科学的根拠があるのです。瓶を茶色くすることによって、紫外線をシャットアウトすることができるのです。紫外線はビールやドリンク剤の成分に色々な影響を及ぼします。それを防ぐには、あの茶色が一番都合がよいのです。品質検査でも、瓶が茶色だと都合がいいことがあります。下や横から光を当てると、透明な瓶なら大変見にくいものでも、茶色だと不純物やビール瓶のヒビなどがよくわかるのです。また、他にはこんな理由もあります。一般的にドリンク剤やビールは黄色なために、透明の瓶を使うと見た目にもよくないのです。茶色の瓶なら、中身の黄色と瓶の茶色が重なり、綺麗な色になりイメージアップにもなるのでした。ちなみに、ペットボトルでも似たような工夫は見られます。
ペットボトルに巻いてあるラベルは、もちろん商品名を見せつけるためでもあるのですが、こういった日光を遮ると言う2つの効果を期待しているものなのです(ただし、後者は全体を覆っているラベルに限る)
虹は何故見える。まず、この疑問を解決するためには、虹(にじ)がどんなときに見えるかを考えなければなりません。虹が見えるとき、と言うと雨上がりです。それから、太陽が出てるのに雨が降っているときや、晴れた日に噴水の前に立つと見えたりします。これらから察することができるように、虹が見えるためには、雨つぶ(水滴)と太陽の光が必要となってきます。太陽の光は、一見透明です。
ですが、実は太陽の光とは大きく分けると
の約7色が混ざっているのです(『大きく分けると』とか『約』と言う言葉を使っているのは、厳密には間違っているから
でも、虹の説明にはこの程度で十分です)
色がついていないように見えるのは、光の色と言うのは、混ざれば混ざるほどどんどん見えなくなっていく、と言う性質があるからです(このような色の混ぜ方を、「加法混色」といいます)
また、光には真っ直ぐに進む性質がありますが、例外があります。屈折と言う現象です。雨つぶ(水滴)に光がぶつかると、その光はカクンと曲がります。
そして、雨つぶ(水滴)の奥で、今度は跳ね返ります(ななめに)
最後に、光が今度は雨つぶ(水滴)の中から出てくるわけですが、このときもまたカクンと曲がります。そのため、入ってきたときとは違った方向へと進みます。この曲がり具合は、光の色によって異なります。曲がり具合が違うため、入ったときは混ざっていた色がバラバラに分かれてしまいます。これが、虹と言うわけです。
ちなみに、虹の色は、上から順に
と並んでいます。今回、言葉だけでは難しかったと思うので、画像も用意しました。
こちらです(かなり重いです)
ちなみに、虹は地上で見るといいとこ半円ですが、実際には円状になっています(宇宙から虹を見ると、まるい虹が見えるそうです)
ガソリンスタンドのガソリンはどこに入っているのか
ガソリンスタンドと言うと、長方形の箱に、そこから飛び出たホース
最近のガソリンスタンドは屋根から長方形の箱がぶら下がっている物もありますが、まぁ、まだ地面に置いてあるところの方が多いでしょう
しかし、そうなってくると答えられそうで答えられないのがこの質問
ガソリンスタンドのガソリンはいったいどこに蓄えられているのか
タンクローリー車がガソリンスタンドにガソリンを運んできたところを観察すると、地面にある給油口にホースを接続して給油しているのがわかるかと思います。間違っても、あの長方形の箱の中には入っていませんし、天井からぶら下がっているやつも、間違っても天井に蓄えられている、なんてことはありません。それに、そんなところに蓄えて置いたら、危険な上にほんの数台の給油で売り切れになってしまいます。
ちなみに、ガソリンのような危険物は、法律でその貯蔵方法が細かく決められています(危険物の規制に関する規則などがそれです)
N極、S極だけの磁石は何故ないのか
当たり前のことですが、磁石にはN極とS極があります。
何故、N極だけ、S極だけの磁石はないのでしょうか
ここは試しに、磁石を真っ二つにしてみましょう
うまく真っ二つにできれば、片方はN極のみ、もう片方はS極のみなので、どこから近づけてもこの2つは引き合うはずですが
実際にやると、引き合ったり引き合わなかったりします。方位磁石に近づけてみるともっとはっきりとわかります。真っ二つにしたはずなのに、ちゃんとN極とS極を持っています。
とどんどん細かくしていくとどうなるでしょう
実は、結果は同じ
仮にこれをハンマーで粉々に砕いて粒にしたとしても、NとSがあります。もっと言ってしまえば、なんと分子1つにまで破壊しても、ちゃんとNとSがあるのです。実は、磁石のNとSと言うのは、原子(原子が集まって分子になる)が持つ電子(電子と原子核と言うものがくっ付いて原子になる)によって決定されているのです。電子は、原子核の周りを回り、自分自身も、コマのように回転しています。
電子が原子核の周りを回ると、電気が生まれます(と言うか、電子の流れの事を、「電流」と呼ぶ)
そして、電気を帯びた物が回転すると、そこに磁場が生まれるのです。ここで既に、N極とS極の区別が生まれてきてしまいます。当然、そうなってしまえば片方の極しかない磁石など、作ることができません。
N極、S極だけの磁石が何故ないのか
その結論は、「自然の摂理に反しているから」と言うことでしょうか
と書きましたが、実は詳しい理論の上では、N極だけ、S極だけの磁石が存在してもおかしくない、むしろ存在するはずだ、とされています。N極だけ、S極だけの磁石の事を「磁気単極子(又はモノポール)」と言い、2007年現在、まだ発見されていません。
モチを焼くと、何故膨らむのか
まず、お餅の中には大量の水分が含まれています。もちろん、はっきりと「水」として入っているわけではありませんので、人間の感覚ではほとんどわかりません。お餅を焼くと、この水分が気化、つまり水蒸気になります。水は水蒸気になるとき、その体積(大きさ)が何百倍にも膨らみます。そのため、お餅の中に収まりきらず、外へ飛び出そうとして、ああなるわけです。ですので、よくついたモチほど、よく水分が入り込み、よく膨らむ、と言われています。
機械化された当初は、いくら焼いても全然膨らまずあまり美味しくなかったそうですが、最近は機械も改良され、よく膨らむようになったとか
それでも、やはりプロがついたお餅には劣るとの事です。
二酸化炭素の中で燃える物質
物が燃えるために必要なのは、燃える物、熱、そして酸素です。このどれか一つでも欠けると、物は燃えません。
しかし、世の中には例外がつき物
実は、酸素ではなく二酸化炭素の中に突っ込んでも、燃える物質があるのです。
それは何かと言うと、マグネシウム
では、二酸化炭素の中で、何故燃えるのか
二酸化炭素とは、2つの酸素原子と1つの炭素原子から出来ています。つまり、酸素と炭素から出来ています。実は、マグネシウムは熱せられた状態で二酸化炭素の中に入ると、この二酸化炭素から酸素を奪い取って燃えてしまうのです。要するに、炭素と結びついている酸素を使って、燃えるのです。ですので、化学的には酸素と化合している(燃えている)のですが、見た目には二酸化炭素の中で燃えているように見えるのです。
二酸化炭素内の酸素と炭素の結合力はとても強いので、ほとんどの物質ではこの結合を断ち切ってまで酸素と化合する事は出来ないのですが、マグネシウムは、炭素よりも酸素と結合する力が強いので、二酸化炭素の中の酸素を奪い取る事が出来るのです。ちなみに、これを中学2年で習う化学反応式という物で表すと、飛行機の燃費はどのぐらい
飛行機は通常、あまり余分な燃料を積まずに飛んでいます(少しでも機体を軽くするためです)
では、飛行機の燃費は、どのぐらいなのでしょうか
自動車の場合は、1リットルあたり10キロ前後と言うのがだいたいの目安だそうです。しかし、飛行機の場合は、機種によって違うし、積んでいる人や荷物の重量、気象状況や高度、そして風の向きなどによって、かなり違ってきます。更に、離着陸の時は、より多くの燃料を使うともいいます。したがって、燃費がどうのこうのということ自体が、そもそもナンセンスなんだそうです。とはいえ、一応の目安はあります。と言うものです。
これを無理矢理、距離に直してみましょう
30分で1万ポンドならば、1時間なら2万ポンド
1時間と言えば、東京から大阪までの飛行時間
これが約500キロメートル
と言うことは、1リットルで50メートル、と言うことになります。若干、大雑把な計算ですが、こんなところです。酸素の無い宇宙、何故太陽は燃えていられる。物が燃えるためには、酸素が絶対必要不可欠です。しかし、宇宙には酸素がありません。
では、何故太陽は、酸素の無い宇宙で燃えることができるのでしょうか
実は、太陽は燃えているように見えますが、地球上で物が燃えているのと同じように燃えているわけではないのです。太陽は、核融合反応、と言う現象によって輝き、熱を放っているのです。太陽は、今のところは4分の3を水素、4分の1をヘリウムが占めた巨大なガスの塊です。この太陽の4分の3を占めている水素が、核融合反応を起こしているのです。
では、核融合反応とはなんでしょう
全ての物体は、原子と言う物で構成されています。そして原子は、電子と原子核から出来ています。
核融合反応とは、この原子核で起こる現象
2つの原子核がものすごい勢いでぶつかり合い、融合してしまう反応が、核融合反応なのです。
地球上でこのような反応が起こる事はまずあり得ませんが(人為的に起こす事は可能ですが)、太陽の中はものすごい圧力が掛かっているため、このような反応が起こってしまうのです。地球上で得られる勢いだと、融合するのに全くエネルギーが足りませんが、太陽の中ぐらいの圧力が掛かると、融合するためのエネルギーを得る事が出来、核融合反応を行えるのです。太陽の場合は、水素原子同士がぶつかり合い、ヘリウム原子に変わります。しかし、実は、水素原子2個の重さと、ヘリウム原子1個の重さは、ヘリウム原子1個の重さの方が少ないのです。この減った重さの分が、光のエネルギーとして、外へ飛び出すのです。ちなみに、先ほど太陽の成分を説明する際、「今のところは」とつけましたが、あれは数億年後に中身が変わるからです。先ほど、水素がヘリウムに変わると言いましたが、そうなれば当然、太陽の中身は水素からだんだんヘリウムに変わっていきます。すると最終的に、水素からヘリウムだけになります。そうすると今度は、ヘリウムが核融合を起こし始めるのです。
その次に発生するのが酸素や炭素
次がマグネシウムやネオン
次にケイ素が来て、最後に鉄が残ります。鉄は非常に安定しているため、核融合を起こしません。こうなるともう、破滅への道をまっしぐらに進む事になるのです。
なお、原子爆弾も「核反応」を使いますが、こちらは核融合ではなく「核分裂」
重い原子から軽い原子に変わった時、その減った分の重さが、莫大なエネルギーとして放出されるのです。
地球はどうして丸いのか
わたし達が住む青い惑星、地球
この地球は、ご存知の通り、丸いです(正確には、若干楕円形に近い形をしていますが、一般常識としては球体をしています)
では、ここで素朴な疑問
何故、地球は丸いのでしょうか
この疑問に答えを出すためには、地球がどうやって出来たかを知る必要があります。地球は、現在から約46億年前に出来たと言われています。そして46億年前、地球の材料となったのは、宇宙空間に漂う大量のチリです。チリと言っても、ゴミのような物ではなく、一つ一つが直径数キロから数十キロもあるような、巨大な岩石たちです。これらが既に出来上がっている太陽(原始太陽)の周りをグルグルと回りながら、激突し合います。すると、ぶつかった衝撃で岩石同士がピッタリとくっ付いてしまいます。次々と岩石がくっついていくと、次第にもっと大きな塊になります。突然ですが、この世には「万有引力の法則」と言う法則があります。これは、「全ての物体間には普遍的に作用する引力があり、その大きさは二つの物体の質量の積に比例し、距離の二乗に反比例する」と言う、ニュートンと言う人が発見した法則です。わかりやすく言えば、「全ての物には、周りの物を引き寄せる力(引力)があり、その力の大きさは、物が重くなればなるほど大きくなり、距離が離れれば離れるほど小さくなる」と言う法則です。つまり、岩石がどんどんくっ付いて大きくなると、だんだん周りの岩石を引っ張り始めるのです。
すると小さな岩石はどんどん大きな岩石にくっ付いていき、更に岩石は大きくなり、更に周りの岩石を引っ張って
が、何度も繰り返されます。そうするうちに、岩石はとても広大な塊になります。すると今度は、岩石自身が、自分の引力に引っ張られ始めます。つまり、表面の方の岩石が、中心に向かって「落ちて」行くのです。しかし、もちろん岩石ですので完全にペシャンコになることも出来ず、また、自転(コマのように回ること)による遠心力(回転するものが、外に飛んでいこうとする力)なども働き、完全に潰れる事はできません。そして、「岩石自身が潰れようとする力」と「遠心力により、バラバラになろうとする力」がお互いの力を打ち消しあい、だんだん安定した形を求めて岩石はゆがんでいきます。そして、最終的に最も安定できた形が、現在の地球の形、「球形」なのです。
最初に、「(地球の形は)正確には、若干楕円形に近い形をしています」と書きましたが、これは遠心力があるため
また、地質などの関係により、場所によって引力の働く力が微妙に違うので、完全な球とは言えないのです。このように、いろんな力が複雑に地球を引っ張り合い、現在のような形に落ち着いたわけです。
電線に止まった鳥は、何故感電しないのか
雑学の定番とも言えるこの疑問
さて、何故でしょう
そもそも、感電とは、体内を電気が流れる現象です。そして、電気が流れるためには、当然ですが入り口と出口が必要です。しかし、鳥の場合は、それが無いのです。どういうことかと言うと、鳥は、電線に止まってはいますが、それ以外の物には触れていません。そのため、電気が鳥の体を流れようにも抜け道が無いので、流れられないのです。人間の場合も、地面に足をつけなければ、電線に触っても感電する事はありません。もちろん、空気中に電気が絶対流れないかと言うと、そう言うわけでもありませんが、電線に通ってるぐらいの電気では、空気中には流れられないのです。ですので、逆に言えば電気の流れ道を作ってやれば、鳥でも簡単に感電します。
その方法としては、1;2本の電線にまたがる。2;電線と鉄柱にまたがる。3;切れた電線の先端と先端に挟まれる。どれもこれも、普通にやってたら絶対起きないような現象ですので、鳥が自然に感電する心配は一切ない、と言うわけです。
ですが、「鳥の右足と左足で、電気が流れるんじゃないの
」と言う疑問も浮かびます。確かに、わずかには電気が流れていると考えられますが、鳥の両足の感覚は非常に狭く、また、体を電線に密着させています。そのため、電気は鳥の足だけを通り、すぐに電線に戻ってしまうので、さほど感電する事はないのです。余談ですが、大きなコウモリなどがいる所では、よくコウモリが電線にぶら下がり、2本の電線に触れ、感電死してしまっているそうです。ホコリが無いと、雨が降らない。
空気清浄器のフィルターにビッシリと張り付く、ホコリ
空気中には様々なホコリが舞っており、呼吸をするたびにかなりの量のホコリを吸い込んでいるといいます。さらに、精密機械などに入り込み、故障の原因にもなります。
ところで、このホコリ
地球上から完全に無くなると、どうなってしまうのでしょうか
実はなんと、雨が降らなくなる可能性があると言われています。
まず、雲の出来方を簡単に説明しましょう(詳しくは雲の出来方参照)
雲は、空気中の水蒸気が、上昇気流やその他の要因により、空の高い所まで上昇
空の高い所、つまり気圧の低い所にいくと、空気は膨張
温度が下がります。
すると当然水蒸気は水に
その水の粒が雲となって、大きくなると重くなり、雨となって降って来るのです。しかし、この水蒸気が水になるためには、核となるものが無くてはなりません。その核(凝固核)こそが、普段わたし達が「ホコリ」と呼んでいる小さな粒たちなのです。ですので、ホコリが無ければ雲も出来ず、イコール雨も降らない、と言うわけです。
地球上には、宇宙には、無駄な物など1つも無い、と言う良い一例でしょうか
梅雨入りと梅雨明けの定義は
春と夏の間に、梅雨があります。
よく天気予報で「梅雨入り(入梅)」や「梅雨明け(出梅)」と言う言葉を聞きますが、それぞれどうなるとこう呼ばれるのでしょうか
実は、梅雨入り梅雨明けに、明確な定義はありません。一応、「だいたいこうなれば梅雨」と言った曖昧な決まりはありますが、ビシッと「こうだ。」と言う定義はないのです。もともと、「梅雨入り」「梅雨明け」と言うのは、マスコミの要請で作ったものなので、あまりちゃんと考えなかったようです。
そのため、両者の定義は資料によって、「曇り、又は雨が1週間以上続くと予想された時、梅雨入りとなり、梅雨明けは晴れが1週間以上続くと予想された時」
「梅雨明けとは、梅雨前線(これの位置だけは特定できる)が北上、南下、消滅のいずれかにより、その地域に戻ってこないと判断された時」
「梅雨入り、梅雨明けも結果論(それを過ぎてから『あの時が梅雨入り(梅雨明け)だった』と言う)」
などバラバラ
結局、これらを総合して考えると、「梅雨明け・梅雨入りの定義は不明確」と言うのが妥当と言えるのです。気象庁が、梅雨明け梅雨入りをその後になって発表するのは(事前に予報しないのは)、こう言った理由からなのです。ちなみに、何故梅雨になるかと言うと、北にある冷たい空気(オホーツク海気団)と、南にある暖かい空気(太平洋気団)とがぶつかりあうと梅雨になります。このぶつかった部分(梅雨前線)には雲が発生しやすく、その結果として、大量の雨が降るのです。
そしてこの梅雨前線
これの動きを予想する事は、現在の科学をもってしてもかなり難しいので、梅雨明けの予想が出せないのです。
空に浮かぶ白い雲
これが細かい水滴や氷のつぶの集まりと言うことは有名ですが
何故、あんなものが出来上がるのでしょうか
雲の材料は、水蒸気です。「水蒸気」と言うと、ヤカンなどから出るところから(と言っても、湯気ではありません。
湯気の上下にある、目に見えない部分)、すぐに「熱い物」とイメージしがちですが、水蒸気は空気中に大量に含まれています。
もちろん、目には見えませんが
ところで、塩をどんどん水に溶かしていくとどうなるでしょう
塩を水に溶かしていくと、初めは溶けますが、徐々に溶けきれなくなった塩が、底にたまってきます。しかし、水を温めるともう少し溶かすことが可能となります。また、温かい塩水を冷やすと、塩が底に現れます。これは、温度が高ければ高い方が、物を溶かし込む能力が大きい、と言うことです。これと同じような関係が、実は空気と水蒸気の間にもあるのです。
つまり、気温が高い方が、より多くの水蒸気を含むことが出来るのです(「飽和(ほうわ)水蒸気量が多い」と言います)
逆に言えば、温かい状態で大量に水蒸気を含んだ空気を冷やすと、溶け切れなくなった水蒸気が、水として現れます。これが、雲の正体です。が、しかし、空気は簡単には冷えません。空気は温まりにくく、冷めにくい物質なのです。
では、雲となる空気は、どうやって冷えるのでしょうか
普段はあまり意識しませんが、空気にもちゃんと質量(重さ)があります。
そのため、地上近くの方が空気が濃く(「気圧が高い」と言う)、上空へ行けば行くほど、空気が薄くなります(「気圧が低い」と言う)
例えば、未開封のスナック菓子などを持ったまま飛行機に乗ると、袋がパンパンに膨らみます。
これは、地上近くでは袋の中の空気圧(この場合、内から外へ袋を広げようとする力)と周りの空気圧(この場合、外から内へ袋を潰そうとする力)が等しいため、袋は膨らみませんが、上空へ行くと気圧が下がり、袋の中の空気圧の方が周りの空気圧より高くなるため、つまり内から外への力の方が大きくなり、パンパンに膨らむのです。そしてこのとき、袋の中ではある現象が起こっているのです。
空気は、温められても膨らみます(熱気球などがいい例です)
そして、温められて膨らむ前の空気と、温められて膨らんだ後の空気を同じ量(体積)だけとり、重さを測ると、膨らんだ後の空気の方が若干軽くなっているのです。熱気球は、この原理を使って、空を飛ぶわけです。
では、スナック菓子の袋の中では何が起こっているかと言うと
空気に熱を加えると膨らみます。
これをムリヤリ式にすると、空気+熱=膨らむ。
」に入る物は、なんでしょう
正解は、「マイナス熱」
つまり、「冷える」です(「冷やされる」ではなく「(自分から)冷える」と言う点に注意)
つまり、熱を加えずに膨らんだ空気は、膨らんだ分だけ冷えてしまうのです。そして、先ほど書いたように、冷えた空気は水蒸気を水として吐き出します。
これが雲の正体
それが落ちてきたものが、雨なのです。
では、空気がどうやって空高く昇っていくのでしょう
これは大きく4タイプあり、1;地面が温められ、軽くなった空気が昇っていくタイプ
2;タイプ1の変形で、台風のように巻き込みながら昇っていくタイプ(いわゆる上昇気流)
3;山に沿って風が吹き付け、空気が押し上げられるタイプ
4;温度の違う空気の塊(「空気団」と言います)がぶつかって押し上げられるタイプ
の4タイプです。
タイプ4を少し補足しますと、これは冬にストーブをつけている部屋から、つけていない部屋のドアを開けると、足元に冷たい風が吹き付けるのと同じ原理
先ほども書いたように、温かい空気は冷たい空気より軽く、さらに両者は混ざりにくいため、気温の違う部屋を結んだ瞬間、冷たい空気が温かい空気の下にもぐり込んで温かい空気を押し上げるのです。つまり温度の違う空気のぶつかり合うところでは、ほとんどの場合空気が出来るわけです。天気予報などで耳にする「前線」というのは、ここの事です。
少し長かったので、雲が出来る理由をまとめましょう
まず、水蒸気をたくさん含んだ空気があり、それが何らかの理由で空高く上昇(持ち上げられる)
すると、水蒸気を含んだ空気は膨らんで自分から冷え、水蒸気が水や氷として現れて集団になり、めでたく雲の完成となるのです。
アインシュタインの相対性理論
「こちらの本ですか
こちらは、相対性理論についての本です。
難しいイメージの強い相対性理論ですが、出来る限り簡単に書いてありますので、どなたでも気軽に読めるかと思いますよ」
「ただ、この本は、我々の部屋とは違い、上から順番に読んでいく事を前提として、書かれております」
「科学の雑学の部屋」に戻る|「タイムマシンは果たしてつくれるか
相対性原理と相対性理論
特殊相対性理論の大事な2本柱
光速度不変の原理、とは
光の速度が絶対ならば、何が起こるのか
時間が長くなる。
「ウラシマ効果」とは
『重さ』とは何ぞや
一般相対性理論の大事な2本柱
重い物の周りでは、空間が歪む。
ブラックホールとは
空間がゆがむと、何が起こるのか
重力で光が曲がる証拠
「重力で光が曲がる」のわかり易い考え方
何故ブラックホールから抜け出せないのか
何故光速を超える事は出来ないのか
何故光は光速で飛べるのか
「科学の雑学の部屋」に戻る|「タイムマシンは果たしてつくれるか
相対性原理と相対性理論
アインシュタインの相対性理論についての説明の前に、「相対性原理」と言うものについて説明しましょう
相対性原理とは、ガリレオがうち立てた、極々当たり前の(そして当時の人々にとっては衝撃的な)理論です。これは、一言で言ってしまえば、「物が動いているか止まっているかは、決めることが出来ない」と言う理論です。
詳しく説明しましょう
例えば、止まっている電車の中で、ボールを落としたとしましょう
そうすれば、当然ボールは自分の足元に落ちます。
では、動いている電車の中ではどうでしょう
加速している場合は別ですが、同じ速さで走っている場合、やはりボールは自分の足元に落ちます。このように考えると、今自分が乗っている電車が止まっているのか動いているのか、知る手がかりはありません。
「外の景色を見れば動いてるかどうかわかるのでは
」と言うような気もしますが
意外と、そうでもありません。例えば、あなたが新幹線ひかり号(時速240km)に乗っているとします。その時、新幹線のぞみ号(時速270km)とすれ違ったとします。
ではこのとき、あなたから見たら、のぞみ号は時速何kmで走っているでしょうか
全くの別の視点から見れば、のぞみ号は時速270kmで走っていますが、ひかり号から見た場合、のぞみ号は
つまり時速510kmで走っているように見えるのです。このような速度の事を、「相対速度」と言います。
では、次の問題
あなたが今、停車中の新幹線ひかり号(時速0km)に乗っているとします。その時、新幹線のぞみ号(時速510km)とすれ違ったとします。
ではこのとき、あなたから見たらのぞみ号は時速何kmで走っているでしょうか
当たり前ですね
自分が止まっていて相手が時速510kmで走っていても、どちらにしろ相対速度は同じ、と言うことです。
駅で、隣に止まっている電車を見ていて、その電車が動き出したとき、「自分の乗ってる電車が動き出した」と思ったら、動いていたのは向こうの電車だった。
と言う経験がある方は、すぐにわかる事でしょう
そして、この時速○○kmと言うのは、全て地面を基準にして測っています。つまり、この地面その他を頭の中から全て取っ払ってしまえば、自分の速さを決める事は出来ません。自分にわかるのは、相手の速さ、つまり相対速度だけ、と言うわけです。結局、いかなる方法を用いても、自分が今現在どのように動いているのか、或いは止まっているのかは、知ることが出来ない、と言うわけです。これが、ガリレオの打ちたてた相対性原理、と言う物です。
この相対性原理に絡んだ有名な話は、地動説と天動説
「果たして、動いているのは地球か、太陽か
今は、「地球が太陽の周りを回っている」と言うのが常識として染み付いていますが、これがわかる前は、誰もが太陽が地球の周りを回っていると思っていました。何故ならば、自分が動いているかどうか、知る手がかりが無かったからです。
身近な事についてはピタリと当てはまるこの相対性原理(※)
ところが、動く速さが光の速さに近くなったり、ブラックホールの周りなどでは、当たり前のような相対性原理が使えなくなってしまうのです。そんな場合でも使えるよう、ガリレオの相対性原理を発展させた(見方を変えた)のが、アインシュタインが発見した「特殊相対性理論(特殊相対論)」と言う物なのです。※)先にここからの内容に言及することになってしまいますが、全ての物体は、光より速く動く事が出来ないとされています。
しかし、例えば、秒速20万kmで走っている物と、秒速20万kmで走っている物がすれ違うとき、この場合、「相対性原理」で行くと、お互い、相手が20万+20万で、秒速40万kmで走っているように見える事になります。しかし、光の速さは秒速30万kmで、全ての物体はこれを超えることが出来ません。そのため、「相対性理論」に登場する公式を使って計算すると、この2つの物は、お互い、限りなく秒速30万kmに近い速度で走っているように見えるのです。
特殊相対性理論の大事な2本柱
アインシュタインの相対性理論には、「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」とがあります。
まずは、特殊相対性理論について説明しましょう
特殊相対性理論には、2つの大きな柱があります。
1つ目は、「特殊相対性原理」
2つ目は、「光速度不変の原理」です。
特殊相対性原理とは、上に書いたガリレオの相対性原理を少し発展させたもので、「どのような速さで動いても、自然の法則は同じように成り立つ」
と言う法則です。
もう1つの光速度不変の原理とは、「どのような速さで動いても、光速は変わらない」
と言う法則です。特殊相対性原理は、上を読んでいただければ、それで十分です。ここで言う「自然の法則」とは、物の落下を含め、ありとあらゆる法則です。化学反応や核反応を起こしたり、物を燃やしたり(まぁ、これも化学反応ですが)、電気を流したり、力を加えたりした時起こる現象は、それが動いていても止まっていても全く同じだ、と言っているわけです。
光速度不変の原理、とは
特殊相対性理論に置ける2本柱2本目
光速度不変の原理
これは、「誰にとっても、光の速さは同じ」と言うものです。
つまり、おそよ秒速30万kmです(真空中の場合)
この速さは、どのような人にとっても変わらない、と言いたいのです。
詳しく説明しましょう
例えば、今あなたが光速(秒速30万km)で移動するロケットに乗っているとします。(実際には、いかなる物体も光速になる事は出来ないので、正しくは『光速に近い速度』になります。
なりますが、いまは細かい事は気にしないでください)
その横を、平行して光(秒速30万km)が飛んでいるとしましょう
さてこのとき、あなたから光はどのように見えるでしょうか
普通ならば、自分と同じ速度で走っている物を見れば、それは止まっているように見えます。時速30kmで走っている自動車の横を時速30kmで走っている車が走れば、お互いにお互いが止まっているように見えます。しかし、光は違います。なんと、ロケットから見ると、光は秒速30万kmで飛んでいるように見えるのです。つまり、1秒後には光ははるか30万km先のかなたにある、と言うわけです。ここでもっと不思議なのが、次の現象です。例えば、地上から宇宙へ向けて、物体Aと光を同時に光速で発射したとします。物体Aも、光も、発射と同時に秒速30万kmとなります。
そして1秒後、物体Aからみて、光はどこにあるでしょうか
実に不思議な話ですが、秒速30万kmで飛ばされた物体Aから見ると、光は更に30万km先、地上から60万kmの所にあるのです。しかし、カンのいい人ならここであることに気が付きます。
「光速は30万kmなのに、光が1秒で地上から60万km地点に到達するのは、おかしくないか
全くもって、その通りです。
ここが、光の不思議な所
なんと、地上にいる人にとっては、物体Aも、光も、同じ地上30万kmの所に存在しているのです。物体Aから見ると、光は地上60万kmのところにあるのに、地上から見ると物体Aも光も地上30万kmのところにある。
なんとも矛盾した話ですが、少なくとも理論上は、こうなってしまうのです(図)
アインシュタインのすごいところは、このように、「誰から見ても光の速度は変わらない」と気付いた点です。その当時、光のこの特殊な性質がまだ知られていなかった頃、多くの科学者が光の速さに変化を見つけようとしました。もしも光の速さが有限ならば、観測者によって光の相対速度は変わるはずです。しかし、どんなに詳しく調べても、その相対速度に変化は見られませんでした。これはどういうことかというと、今まで当たり前だと思われていたガリレオの相対性原理と矛盾する物体がある、と言うことです。そして、これは大変だ、と言うことになり、アインシュタインも光速で走ったら光はどう見えるか、と言うことに頭を悩ませました。するとついに、アインシュタインは悩んだ末に、ある結論にたどり着きました。「どんなに詳しく調べても光の速度に変化が無いのならば、いっその事どんな場合でも光の速さは変わらないと言うことを認めてしまえ。と言う結論です。聞いてしまえば、大してすごい結論に思えませんが、当時の人々にとってはとてつもなく大きな衝撃でした。
そして、アインシュタインは、「もしも光の速度が絶対ならば(誰にとっても秒速30万kmならば)、果たしてどのようなことが起こるのか
と言うことを突き詰めて考えていきました。これが、「相対性理論」なのです。
ちなみに、この「光速度不変の原理」と言うのは、証明された訳ではなく、観測に基づいてはじき出したデータ
そのため、これからもっと研究が進んでいったら、「光速度不変の原理は間違いだった」と言う事になるかも知れません。そしたら、この「相対性理論」は、根底から崩れ去る事になります。
光の速度が絶対ならば、何が起こるのか
では次に、「光の速度が絶対ならば、一体どのようなことが起こるのか
」アインシュタインの出した結論を見て見ましょう
単刀直入に言うと、光の速度が絶対なら、物体は未来へ行くことが出来ます。もちろん、人も、です。
ここでは、「光時計」と言うものを考えて見ましょう
光時計とは、光が出るところと鏡が向かい合わせになっていて、光が出て、鏡で反射して、また戻って来たら、丁度1秒になる時計のことです。光の速度は秒速30万kmですから、この時計の高さは実に15万kmにもなってしまい、実際に作ることはできませんが、とりあえず、想像してみてください。と言うわけで、深くは考えずに、頭の中にこの時計を思い描いてください。
ちなみに、何故こんな時計を使うかと言うと、「時間を計る」というのは、「一定のペースで繰り返し起こる出来事の回数を数える事」と同じ、と考えられます。振り子時計は振り子の振れる回数を、原子時計は原子の揺れる回数を、それぞれ数えています。相対性理論の場合、光を基準にしているので、このような時計を使用します。
さて、ではここで、その光時計が、動いている電車の外と中にある、としましょう
電車の外にはAさんと、光時計A’が、電車の中にはBさんと光時計B’があるとします。Aさんが光時計A’を見ていれば、光一往復でジャスト1秒です。Bさんが光時計B’を見ていれば、光一往復でジャスト1秒です。ここまでは、当たり前のことで、どこもおかしいところはありません。しかし、電車の外のAさんが、電車の中の光時計B’を見ると、とてもおかしなことが起こります。なんと、Aさんの見える1秒と、Bさんの見える1秒の長さが、ずれてしまうのです。Bさんから見れば、光は30万kmを進んだことになり、ジャスト1秒です。しかし、「光速は誰にとっても絶対だ」と言う「光速度不変の法則」を当てはめると、Aさんが光時計B’を見た場合、こうなります。まず、B’の底にある、光の出るところから、光が出ます。光は光時計の上へと向かっていきますが、Aさんから見れば、光時計は動いています。すると、光は真っ直ぐ上に上がらずに、電車と同じ速度で横にも同時に動いている、つまり斜め上に上がっているように見えるのです。そして、上にぶつかった光が、また底に戻るためには、斜め下に下がる必要があります。そうすると、光は30万kmより、少し長い距離を飛ばなければなりません。
しかし、ここで出てくるのが「光速度不変の原理」
30万kmより少し長い距離を飛ぶためには、1秒より少し長い時間が必要とされます。
そのため、Aさんから見ると光時計B’の1秒は、光時計A’の1秒より若干長くなるのです(図)
これは、AさんがB’を見た場合だけでなく、BさんがA’を見た場合にも当てはまります。
とにかく、ここで言いたいのは、「移動している人の時間は、止まっている人の時間より長くなる」
と言うことです。時間が長くなる。
そもそも、「他人より時間が長くなる」と、どうなるのでしょうか
他人より時間が長くなると言っても、自分自身は、何も変わったように感じません。変わったように感じるのは、自分が他人を見た時か、他人が自分を見た時です。
「長くなる」と言うより、「伸びる」として説明しましょう
「他人より時間が伸びる」と言う事は、他人が自分を見た場合、自分の1秒が、グーンと伸びて見えるのです。つまり、他人から見ると、自分の時間がゆっくりと進んでいるように見えるのです。当然、自分から他人を見ると、他人の時間がものすごく速く進んでいるように見えます。すると、自分は1時間しか経っていないのに、相手では2時間も3時間も経っている、と言う風になるのです。これを極めれば、自分は1秒しか経っていないのに、相手は1年も時が進んでいる。つまり、自分から見れば、たった1秒で1年後の世界に行ける、つまり「未来に行ける」のです。そう言われても、ちょっと信頼できません。が、実はちゃんとした証拠があるのです。「ミューオン」と言う物体が存在します。これは、素粒子と言う物質で、全ての物を作っている「原子」を、作っている物です。
まぁ、平たく言えば物を作ってる小さな粒です(詳しくは、中学で習います)
このミューオン
とてももろい物体で、すぐに壊れ、電子とニュートリノと言う物質に変わってしまいます。
その時間、わずか0
ところが、ものすごいスピードでミューオンを飛ばすと、この時間が長くなるのです。これは、速く運動しているときには時間が遅くなる、と言う証拠です。他にも、様々な証拠があります。1971年に、物理学者ジョー・ハーフェルと、リチャード・キーティングがある実験を行いました。
その実験内容は、原子時計(原子の振動により、時間を刻む時計
ものすごく正確)を2つ用意し、片方は地上、もう片方は飛行機に積みます。そして、その飛行機はそのまま、世界一周旅行をしたのです。
ではその時、時計はどうなったか
なんと、飛行機内の時計の方が、地上の時計よりも若干、遅れていたのです。
その遅れはわずか0
000000059秒(10億分の59秒)でしたが、この値はアインシュタインの理論が予測した大きさとピッタリ一致
こうして、「未来に行ける」ことが証明されたのです。
「ウラシマ効果」とは
未来に行ける、と言うことは、こう言うこともある、と言うことです。
その現象の名前は「ウラシマ効果」
どんな効果でしょうか
例えば、同じ年齢の人間が2人、いたとします。その片方が宇宙船に乗り込み、光速に近いスピードで宇宙を旅し、数十年後に地球に帰ってきた、とします。先ほど説明したように、光速に近いスピードで運動する物質は、時間の進みが遅くなります。すると、地球上では数十年経っていても、宇宙船の中では10年程度しか経っていないことになります。そうすれば当然、宇宙船に乗った方と、地球に残った方では、年齢差がうまれます。これが、「ウラシマ効果」です。
ただしこの「ウラシマ効果」
もっと不思議なことがあります。一番初めに、「相対性原理」と言う物を書きました。これが、このウラシマ効果にも、当てはまるのです。
つまり、この
「宇宙船が、光速に近いスピードで地球を旅立ち、再び帰ってくる」
と言う工程は、同時に、「地球が、光速に近いスピードで宇宙船を旅立ち、再び帰ってくる」
とも取れるのです。
このように考えると、止まっているのは宇宙船で、動いているのは地球
つまり、この2つが再び出会う時、地球では10年程度しか経っていないのに、宇宙船内では数十年も経ってしまっているのです。当然、前者と後者は明らかに矛盾します。この矛盾の事を、「双子のパラドックス」と言います。ただし、これは、「宇宙船(又は地球)が、再び戻って来るまで、ずっと光速で飛び続けた場合」の話です。アインシュタインの特殊相対性理論は、ずっと同じスピードで動いている場合にしか使えません。
だから、“特殊”相対性理論、なのです(と言うことはつまり、一般相対性理論はあらゆる場合に使える、と言うことです)
ちなみに、今回の「双子のパラドックス」
一般相対性理論で考えると、結局は、宇宙船に乗った方が若くなるんだそうです。
何故なら、宇宙船の方は、動き方が一定ではないため
地球は、ずっとほとんど一定の動きをしていますが、宇宙船は、まず地球から飛び出すときに加速します。そして、方向転換する際に減速し、また加速します。先にここからの内容に言及する事になってしまいますが、実は、加速・減速をした時にも、時間が伸びるのです。車や電車、ジェットコースターなどで、加速・減速をした際、ググッと押し付けられるような感じがします。あの時、実は時間が少し伸びているのです。宇宙船がいくら加速・減速しても、地球上の人はググッと押し付けられるような感じはしません。そのため、宇宙船の人の方が時間が伸び、結局、宇宙船に乗った方が、若くなるのです。
『重さ』とは何ぞや
では、ここで特殊相対性理論の説明は一旦終え、一般相対性理論の説明に入りましょう
基本的には、直前に書いたように、「速度が一定で、重力が無い場合のみ使える相対性理論が特殊相対性理論で、速度の変化や重力があろうが無かろうが使える相対性理論が一般相対性理論」
では、その一般相対性理論の説明に入ろうと思いますが
その前に、一般相対性理論にとって重要な、『重さ』について説明しましょう
『重さ』と言うと、体重や、物の量(グラム)を考えてしまいますが、この場合は違います。例えば、エレベーターで上がり始めた瞬間は、体が重くなるような感じがすると思います。他にも、車や電車が急に加速する時、ググッと後ろに押し付けられるような感じ(後ろによろける様な感じ)もします。そして、スペースシャトルの打ち上げ時などに、よく「G(ジー)がかかる」と言う表現を聞くと思います。これは、重力の単位で、「Gがかかる」と言うのはつまり、重力が強くなる(ように感じる)=体が重くなったように感じる、と言う意味になるのです。
では、こんな場合はどうでしょうか
例えば、あなたが真っ暗闇の箱の中に閉じ込められているとします。そこがもし地上ならば、重力を感じる事が出来るはずです。
では、仮に、箱の周りが宇宙空間で、箱は単に加速しているだけだった場合、あなたはどう感じるでしょうか
おそらく、全ての人が、移動方向と反対方向に重力を感じているはずです。
ではこの時、この2つの重力を区別する事は出来るでしょうか
結論から言うと、出来ません。
何故ならば、どちらの場合も、人間が体に感じる重さは全く同じだからです(図)
感覚的には全く同じ物ですが、正確には(物理学的には
)、全く違う物です。
ところがアインシュタインは、「実際に区別が出来ないんだから、いっその事同じ物って事にしちゃえ。と言う考え方を示したのです。「光速度不変の原理」と同じく、この考え方は、当時の人々に衝撃を与えました。ちなみに、何故加速すると「重さ」を感じるかと言うと、これは「慣性(かんせい)の法則」と言う法則で説明する事が出来ます。「慣性の法則」とは、「止まっている物体や、同じ速さで動いている物体には、そのままでいたがる性質がある」
と言う法則です(この性質の事を「慣性」と言います)
つまり、その場でピタッと止まっている物体は、周りから触られない限り、ずっと止まっているし、ずっと転がっているボールは、誰も止めようとしなければ、永遠に転がり続ける、と言う事です。
(実際にボールを転がしているといつか止まりますが、あれは地面との間に「摩擦(まさつ)」と言う力が生じるからです)
そして、止まっている物体を動かそうとした場合、あるいは、ずっと動いている物体を止めようとした場合、この「慣性」に逆らう事になります。
その時の「抵抗」
つまり、外から突然加えられた力に対し、「動くもんか、こんチクショウ
」「止まるもんか、この野郎
と物体が働くため、それが「重さ」として感じられるのです。ですので、先ほども述べたように、地球のいわゆる「重力」と、加速による「重さ」は、まるで別物なわけです。で、結局、一般相対性理論で言う「重さ」とは、この「重力による重さ」と「加速による重さ」の2つの事なのです。
一般相対性理論の大事な2本柱
さて、「特殊相対性理論」には、「大事な2本柱」と称した、2大原則がありました(こちら参照)
これは、「一般相対性理論」にも言える事で、一般相対性理論には、また別な2本柱が存在します。
1つ目が、「一般相対性原理」
一般相対性原理とは、「誰に対しても自然の法則は同じように成り立つ」と言う原理です。
ここで言う「誰に対しても
成り立つ」と言うのは、「動いている人だろうが、止まっている人だろうが、加速している人だろうが、減速している人だろうが、何をしている人だろうが」
誰がいついかなる状況で自然の法則を試したところで、全く同じ結果が出る、という意味です。
例えば、地球上に立っている人が、9
8mの高さからボールを落とした場合、ボールは1秒後に地面に落ちます。
そして、地球上を高速で移動している人が、9
8mの高さからボールを落とした場合も、ボールは1秒後に地面に落ちます。これは、その人が加速していようが減速していようが、(一般的な地球上の環境である限り)自然の法則は変わらない、と言うことです。これが、「一般相対性原理」です。2つ目の「等価原理」と言うのは、上で述べた事そのまんまです。
「重力によって感じる『重さ』と、加速によって感じる『重さ』は同じ物である」
と言うことです。詳しくは、上を読んでいただければ十分です。
この2つの柱を打ち立てたことで、加速や重力にまで関わる事が出来なかった「相対性理論」は、晴れて「一般相対性理論」として、加速や重力にまで関わって、今までよりも更に広い視野を持てるようになったのです。重い物の周りでは、空間が歪む。くどいようですが、一般相対性理論では、特殊相対性理論では考慮できなかった「重力」の問題も、考慮する事が出来ます。
では、重力があると果たして何がどう変わるのか
例を挙げて説明しましょう
ここに、巨大なトランポリンが1個、あると思ってください。そして、このトランポリンは、この世界の「空間」だと思ってください。その上に、1人、人が乗りました。トランポリンは、わずかにゆがみます。が、それほどではありません。次に、このトランポリンの上に、100人が乗りました。すると、トランポリンは、1人の時よりもよりゆがみます。
そして、この100人が、ギュウギュウに押し合い、中心に集まり、100人揃ってコマのようになると、どうなるでしょうか
100人全ての重さが1点に集中し、トランポリンは激しくゆがみます。ついには、ゆがみ過ぎて真ん中が一気に破け、100人は地面へと叩きつけられます。空間は、このトランポリンに似ていて、質量の大きい物(=重い物)があると、その周りがグニャッとゆがむのです。ちなみに、最後に100人が地面へと叩きつけられましたが、あれも、ちょっとした例えです。やや余談になりますが、このように空間が捻じ曲がり、最終的に全ての物質が地面に(=空間中のほんの1点)に集中した物が、世に言う「ブラックホール」の正体なのです。
ブラックホールとは
ブラックホールは、ものすごく重い星が死を迎え、自分の重さ(自重、と言う)を支えきれなくなった時に、発生します。自重を支えきれなくなった星(を形作っていた物質)は、中心めがけて一気に落ちます。すると、ものすごく小さいのに、ものすごく重たい星が生まれるのです。そして、このブラックホールの周りでは、先ほどの例えの中の、100人が1点に集中した場面と、同じ事が起こります。つまり、ブラックホールの周りでは、空間がゆがむのです。「トランポリンが破けた」となれば、そのゆがみは尋常ではありません。
もし誤って足を踏み入れてしまえば、一巻の終わり
滑って地面へと叩きつけられてしまい、2度と這い上がれなくなります。
この「ここまで来たら、一巻の終わり」と言う範囲の事を、「シュバルツシルト半径」と言い、言ってみれば、ここが「ブラックホールの表面」です。ただし、「半径」と言えど、普通の円の半径とはわけが違います。円の半径は、中心から円のフチまでの長さです。円はちゃんと「○」と線が引いてありますから、どこからどこまでが円か、すぐにわかります。しかし、ブラックホールの場合は、そんな生易しい物ではありません。
身近な例で言えば、磁石を思い浮かべていただければ良いでしょう
ものすごい強力な磁石を、鉄に近づけて行きます。初めは離れているので、鉄は全く動きません。しかし、徐々に近づけていくと、磁力に引かれ、鉄は磁石に少しずつ近付いていきます。さらに磁石が近付くと、鉄が磁石に近付くスピードは上がり、限界まで行くと、一瞬で磁石にくっ付いてしまいます。外から見れば、どこが限界か、鉄の動きからなんとなくわかります。しかし、鉄にとっては、初めから磁石に引かれているため、どこから抜け出せなくなったのか、わかりません。わかるのは、磁石に引かれていた事と、いつの間にか磁石にくっ付き、取れなくなった事だけ、です。この時の「限界」が、「シュバルツシルト半径」なのです。そして、これの内側に入ってしまうと、あとは永遠に出る事が出来なくなってしまいます。ちなみに、太陽と同じ質量のブラックホールですと、このシュバルツシルト半径は約3kmになります。つまり、太陽の中心から3km未満のところまで行くと、2度と帰れなるのです。
落ちる前に、焼け死ぬのがオチです(ダジャレではない)
ですので、太陽が半径3km未満にまで縮まれば、十分ブラックホールとして成り立つのです。
ただ、普通のブラックホールは質量が太陽の10倍前後
シュバルツシルト半径は、約30kmになります。
ちなみに、地球の重さは普通のブラックホールの330万分の1
つまり、普通のブラックホールは、半径30kmのところに、地球が330万個も詰まっていることになるのです。それと、ブラックホールと言うと、掃除機のように「何でも吸い込む」と言うイメージがありますが、実際はそんなことありません。
もちろん、このシュバルツシルト半径に入れば、何人たりとも脱出できないのですが、このシュバルツシルト半径外ならば、どんなに近づいても(理論上は)脱出可能なのです。
もちろん、あまり近づきすぎると、光以外は脱出できない、と言うような状況になってしまいますが
それと、もし仮に太陽がブラックホールになった場合
地球の軌道が劇的に変わるかと思えば、実はそうではありません。何故なら、太陽がブラックホールになっても、太陽の引力は変わらないし、3kmまで近づかなければ絶対に安全だからです。
ちなみに、この地球の「シュバルツシルト半径」は、99分の1ミリメートル
つまり、地球が99分の1ミリメートルまで縮むとブラックホールになり、同時に、地球の中心から99分の1ミリメートルまで近付くと、もう抜け出せなくなる、と言う事です。
空間がゆがむと、何が起こるのか
単刀直入に結論から述べますと、特殊相対性理論同様、「時間が伸びる」=「未来へ行ける」と言う事です。
詳しくは、これからゆっくり話しましょう
まずは、空間のゆがみからです。
「3次元のゆがみ」を考えることは、かなり難しいことですから、とりあえず、「2次元のゆがみ」を考えて見ましょう
2次元とは、早い話が紙の上
平らな平面の上の事です。
3次元の世界では、「上下、左右、前後」と3つの軸がありますが、2次元の世界では、「上下、左右」「上下、前後」「前後、左右」のように、2つの軸しかありません。
一番考えるのが楽な、「前後、左右」で考えてみましょう
まずこの前後左右しかない2次元の世界に、直線を引いてみてください。
引ける直線は、真っ直ぐないわゆる「線」
何の変哲もありません。問題は、空間がゆがんだ時です。「ゆがんだ空間での直線」と言うのは、傍目には「曲線」に見えます。が、見えるだけで、曲線ではないのです。
そもそも、「直線」の定義は、です(正確には、これは「線分」の定義なのですが、ここではわかりやすいように、「線分」を「直線」と言っています)わかりやすく言うと、「家から駅までの最短ルート」
が直線なのです。間にある家や人を全てなぎ倒し、真っ直ぐ歩き続ける。これが、最短ルートであり、「直線」なのです。
では、ゆがんだ空間ではどうなるでしょうか
ゆがんだ空間では、そもそも空間自体がゆがんでますから、直線の定義はそのままでも、形は変わってきてしまいます。言葉では説明しにくいので、紙とペンを用意してください。紙に、適当な直線を引いてください。そして、その紙をグシャッとゆがめます。その時そこにある線が、「ゆがんだ空間での直線」になるのです。見る角度によっては、それは明らかに「曲線」ですが、その「紙上」と言う「空間」の中では、それは立派な「直線」なのです。が、空間自体がゆがんでいるとは言え、本来ならば最短距離である「直線」が、「曲線」に変わるわけですから、2点間の長さは、長くなってしまいます。さて、ここで、だいぶ上の方でやった光速度不変の原理が再登場します。これは、何があろうと、真空中である以上、絶対に光は秒速30万kmで進みます。
これは、空間がゆがめられても同じ事
そして、2点間の距離は、ゆがんでいない時よりも伸びているので、光が2点間を移動する時間は、空間がゆがんでいない時に比べ、ゆがんでいる時の方が、やや長くなるのです。
光が2点間を移動する時間が長くなると、どうなってしまうのでしょうか
実は、「光の速度が絶対ならば、何が起こるのか
」と全く同じ事が起こります。
つまり、空間のゆがみが激しいところの方が、同じ2点間を移動する時間が長くなるので、その分、時間が遅くなるのです(図)
この事は、こんな実験で実証されています。そもそも、今回の話は「重い物の周りでは、空間が歪む。」から来ました。空間がゆがむと、時間が遅くなる。つまり、重い物の周りでは、空間がゆがみ、時計の進み方が遅くなるのです。
いくつかの実験で実証されていますが、ここでは2つ、挙げましょう
まず、地球から金星に向けてレーダーを発し、反射してきたレーダーを捕らえる、と言う実験
この時、地球と金星の間に、太陽がある事が条件です(つまり、地球から見て、金星が、太陽の向こう側にギリギリ顔を出している事が条件)
もし、重い物の周りでも空間がゆがまず、光の移動距離が変わらないのならば、地球から出たレーダー(電波)は、真っ直ぐ金星に進み、また真っ直ぐ戻ってくるはずです。光の速さと、金星‐地球間の距離はわかっていますから、レーダーが戻って来るまでの時間は、計算で求める事が出来ます。ところが、実際にやってみると、計算結果よりも長い時間かかって、レーダーは戻ってきます。これはつまり、重い物=太陽によって、空間がゆがめられている事の証明につながるのです。しかも、その遅れる時間は、一般相対性理論の計算どおりなのです。もちろん、レーザーが戻って来るのが遅れた理由が他にある可能性もありますが、少なくとも、一般相対性理論の否定は出来ない、と言う事です。
もう1つの実験は、地球上で行われた実験
1959年にハーバード大学で行われた実験で、5メートルの塔の一番上と、一番下で、ものすごく厳密な時間測定を行いました。その結果、ものすごく短い時間ではありますが、わずかに、塔の頂上の方が、時間が早く進んだのです。そして、もちろんその結果は、一般相対性理論の計算どおりでした。また、この時、「時間が早く進んだ」と言う事は、「塔の頂上にいた人は、ほんのわずかながら、地上の人よりも早く時を進む事が出来た」
つまり、「未来に行けた」と言う事が出来るのです。ちなみにこの「未来に行き具合」は、もうわかると思いますが、重い物の近くほど早く未来に行けて、離れれば離れるほど遅くなります。
重力で光が曲がる証拠
さて、直前まで空間が曲がると光が曲がる=重力で光が曲がる、と言う話をしてきました。
理論的には曲がるようでも、実際のところ、本当に曲がるのでしょうか
わたし達の普段の生活では、目で見てわかるほど光を曲げるような重い物には、あまり接しません。しかし、宇宙ならごまんとあります。そして、実際に「光が曲がっている。」と確認できた事例もあります。
アインシュタインが一般相対性理論を発表したのは、1915年
その直後の1919年にちょうど日食がありました。太陽はかなりの質量があるので、その周りでは、わずかに空間がゆがんでいるはずです。
もし一般相対性理論が正しければ、太陽の向こう側にある星から来る光は、太陽の重力によってゆがめられ、実際の星の位置とは違う位置に、星が見えるはずです。普段は太陽が明るくて観測できませんが、日食の時なら、観測は可能です。そして、実際に観測した結果、星の位置がわずかにずれている事がわかりました。本当にあるべき位置よりも、若干、太陽から遠い場所に、その星が観測できたのです。この時、本当に一般相対性理論の計算通りに光がゆがんでいたので、世界中が大騒ぎになったそうです。また、観測対象の天体Aと、地球との間に、ブラックホールがあると、天体Aから発せられた光がブラックホールによりゆがめられ、ゆがんだ映像が地球に届く事があります。さらに、光の進み方では、1つしかないはずの天体Aが、2つ観測される事もあるのです。本来、真っ直ぐ進めば地球にやってくる事は無かった光が、途中のブラックホールによって、軌道を変えられてしまいます。
そのため、地球から見れば左右反対方向に飛んでいったはずの光が、レンズで曲げられたかのように途中で突然地球を目指し、結果として、地球で2つの天体Aが観測できるようになるのです(図)
こう言ったいくつかの観測や実験で、重力で光が曲がると言う事が証明されました。
「重力で光が曲がる」のわかり易い考え方
それと、本当は最初にでも書くべきだったのですが、「重力で光が曲がる」と言うのは、こんな形で考える事も出来ます。例えば、ここに1台の(光を通す)エレベーターがあるとします。エレベーターは真っ直ぐ上に上がっていきます。その時、エレベーターの真横から光を飛ばすと、光は真っ直ぐと進み、エレベーターを貫通して、向こう側へ抜けて行きます。これをエレベーターの外から見ていると、光は真っ直ぐに進んでいるように見え、エレベーターは上に上って行く様に見えます。
では、これをエレベーターの中から見ると、どうなるでしょうか
言うまでも無く、光は下向きに曲がっていくように見えるでしょう
何故ならば、エレベーターは上昇しているのに、光は真っ直ぐ進行
光がエレベーターに入って来た時と、出て行った時とでは、光の高さはわずかに後者の方が低くなるからです。ところで、一番初めに、相対性原理について、説明しました。
「今現在、自分がどのように動いているか(止まっているか)は、自分にはわからない」
と言うものです。エレベーターの中にいた場合、(外が見えれば話は別ですが、)自分が上っているのか、止まっているのか、自分にはわかりません。そして、仮にエレベーターが上昇しているとしたら、中の人は、加速によって重力を感じるはずです。しかし、仮にエレベーターが地上で止まっているとしても、中の人は、地球による重力を感じているはずです。つまり、どちらの場合でも、エレベーター内部には重力が生じているのです。そして、光は加速による「重力」の中で、その進行方向を変えました。つまり、光は物体の引力による「重力」の中でも、その進行方向を変える=曲がるはずなのです。他には、こんな考え方があります。
「光は、目的地まで最短かつ楽な道を選んで進もうとする性質がある」
と言う考え方です。
A地点から、B地点まで行く時、最も早くつく方法は
と聞かれれば、誰もが「真っ直ぐ進む」と答えるでしょう
そして光は、「最短ルートを選ぶ」のですから、光は「真っ直ぐ進む」と言えるわけです。
では、もしA地点とB地点の間に、深い落とし穴があったらどうでしょうか
真っ直ぐ進むとなれば、Aを出発して、1度穴に降り、また這い上がって、Bまで行かなければなりません。これは、非常に面倒ですし、時間もかかります。光は、こういう面倒な事を嫌い、とにかく「最短で楽なルート」を選びます。ですので、ちょっとぐらい遠くても、落とし穴を迂回して、平坦な道を選んで、Bまで行きます。
ここで言う「落とし穴」
これこそが、空間の「ゆがみ」なのです。この項目までの説明がよくわからなかった方は、今の例えを頭に入れてもう一度読み直してみれば、なんとなくわかるかも知れません。
何故ブラックホールから抜け出せないのか
さて、最後に、余談的な事を書きましょう
ブラックホールの話のところで、「落ちると2度と出てこれない」と言うような事を書きました。
さて、これは何故でしょう
もちろん、全ての原因は、その途方もなく大きい質量です。
質量が大きいと言う事は、当然重力も大きいと言う事
そして、重力が大きいと言う事は、そこでの空間のゆがみも非常に大きくなり、時間のゆがみも大きくなります。重力が大きいと、時間がゆっくりと進む事は説明しました。ブラックホールは途方もなく重力が大きいため、理論上、時間の「ゆっくり度」は無限大になっているのです。
「無限大」とは、どう言う事でしょうか
ここでは、具体的に説明しましょう
例えば、誰かがブラックホールに落ちたとします。
このブラックホールに落ちたEさんを、あなたが外から見ているとしましょう
ブラックホールに落ちていく、と言う事は、時間が段々引き延ばされる事になるので、外から見ると、Eさんの動きが段々と遅くなっていきます。そしてそのまま落ちていくと、Eさんの動きはどんどん遅くなり、ついには、停止してしまうのです。
(実際には、ブラックホールに落ちた人を見る事は出来ませんが、「見れる」と仮定すると、こうなります)
では、逆に、Eさんから見ると、どうなるのでしょうか
ブラックホールに落ちると、時間が段々引き延ばされるので、外にいるあなたの動きが、段々速くなっていきます。
この速さは次第に増して行き、1秒で数時間が、1秒で数年が、1秒で数十年が
と、ものすごい速さで、外の世界が流れていきます。そして、ブラックホールに着地した瞬間、理論上、外の世界では無限の時間が流れ過ぎ、Eさんは過去の世界に取り残されてしまうのです。この「無限の時間」が流れた後、何が訪れるのかは、わかりません。しかしともかく、理論上は、ブラックホールの底では、時間が停止(あるいはほぼ停止)してしまいます。そしてそのため、1度ブラックホールに落ちてしまうと、二度と出てくる事が出来なくなってしまう、と言う事なのです。
何故光速を超える事は出来ないのか
ここまでの説明の中で、「光速を超える事は出来ない」と言う表現があったかと思います。
既に何度か述べたように、光の速さはおよそ秒速30万km
全ての物体は、これ以上速くなれない、と言っているのです(水の中など、条件が揃えば、光より速く進む事は出来ますが、秒速30万kmの壁を超える事は不可能とされています)
では、何故超えられないのでしょうか
この公式が意味するところは、「ある物体が持つエネルギーは、その物体の質量と、光速の二乗(=30万×30万=90億)をかけた物になる」
と言う事です。さて、ここで言う「エネルギー」とは、実に様々な物を含みます。そのうちの1つに、「運動エネルギー」と言うものがあります。
「運動エネルギー」とは、「運動している物体(=移動している物体)が持つエネルギー」の事
例えば、殴られた時痛いのは、動くこぶしが持つ運動エネルギーのせいですし、車にはねられると重症を追うのは、走る車の持つ運動エネルギーが、とても大きいからです。そして、運動エネルギーとは、基本的にその動きが速ければ速いほど大きくなります。つまり、ある物体を加速させればさせるほど、ものすごい大きな運動エネルギーを持つ事になるのです。
ところで、この式の意味
実は、先ほど述べたのは正確ではなく、正しくは、「物体のエネルギーと質量は、互いに関係している」
と言う意味になります。つまり、物体が重くなれば重くなるほどエネルギーが増すし、エネルギーが増せば増すほど物体が重くなっていくのです。では、ここで、ある物体Xを加速し、光速を超えさせようとしたとします。初めは順調に加速を始めた物体Xですが、次第に変化が現れてきます。加速させるためには、後ろから押すなど、何らかの力=エネルギーが必要になります。段々、加速させるために必要なエネルギーが、増えてきたのです。
軽い物体と重い物体
どちらの方が、動かすのが大変でしょうか
考えるまでもなく、重い物体です。速さが増す、と言う事は、エネルギーが増すことであり、それは同時に質量が増すことに他なりません。質量が増すと、その分、加速させるために必要なエネルギーは増えていきます。段々と物体が速くなり、その速度が光速に限りなく近付くと、加速に必要なエネルギーは、莫大なものになります。そして理論上、その物体を光速にするためには、無限大の力が必要になるのです。当然、「無限大の力」なんてものは存在しませんから、光速を超える事は、理論上絶対に不可能、となるわけです。
ただ、「もし超えられたら
」と言う理想()から、「タキオン」と言う架空の物質が生み出されました。
「もしも物体が光速を超えるとどうなるのか
」その、「光速を超えた物体」として、「タキオン」を生み出したのです。
さて、その計算の結果は
実は、「タキオン」は、光速より速く動ける代わりに、光速より遅くなる事は出来ない、と言う結果になったのです。また、「タキオン」は、「過去に突き進む物体になる」とも言われています。
何故でしょうか
これは、先ほどの理由と全く同じ
そう、タキオンを光速より遅くするためには、無限の力が必要になるのです。物体の運動を止めるためにも、エネルギーが必要になります。タキオンの場合、光速ギリギリまで遅くする事は可能ですが、光速にするためには、無限大の力が必要になるのです。また、過去に突き進む理由ですが、これは、「タキオンが光より速い」と言う事を考えてもらえば、すぐにわかります。
光だとわかりにくいので、音で説明しましょう
例えば、あなたが超音速(音よりも速い速度)で走っているとします。そこで、遠くにいる友人に向かって、「あ、い、う、え、お」と叫んだとします。
普通なら「あいうえお」と聞こえるのですが、何しろあなたは超音速で疾走中
あなたの発した「あ」の音は、あなたに追い抜かれる事になります。すると、「い」と発音した時、この「い」の音は、「あ」よりもあなたの友人の近いところにあるのです。同様に、「う」は「い」より友人に近く、「え」は「う」より、「お」は「え」より友人に近いところにあるのです。すると、友人の耳には、あなたが「お、え、う、い、あ」と叫んだように聞こえます。タキオンでも、これと同じ事が光で起こります。
地上100mから、あなたに向かって、タキオンが降って来たとしましょう
地上100m地点で、タキオンからあなたに向かって、光が発されます。しかし、タキオンは光より速いので、この光が地上90m地点に来る頃には、タキオンはそれよりもっと低い位置に来ています。そして、あとは、先ほどの音と同じ事が起こります。
つまり、あなたの目には、「タキオン地上1m地点の光」「タキオン地上2m地点の光」「タキオン地上3m地点の光」
と言う順番で、光が飛び込んでくるのです。すると当然、あなたには、タキオンが空から降ってきたのではなく、自分の目の前から空高く昇って行く様子が見えます。本当は落ちてきているのに、目には昇って行っている様に見える。ここから、「タキオンは過去へ突き進む物体になる」と言われるのです。
何故光は光速で飛べるのか
「全ての物体は光速を超える事は出来ない」と、何度も述べました。しかし、実際には、光速になる事すら、不可能なのです。では、ここで1つの疑問が浮かびます。
「何故、光は光速になる事が出来るのか
物体が光速になれない理由は、「無限大の力が必要だから」と説明しました。
ここで、もう一度、その時出てきた公式E=mc2を思い出していただきましょう
何故光は光速になれるのか
その答えは、この公式をよく見てもらえれば、わかります。先ほど、「物体の速度が増すと、エネルギーが増す」と言うような事を述べました。しかし、実はこの説明は正確ではないのです。正確に説明すると、こうなります。
「質量(重さ)のある物体の速度が増すと、エネルギーが増す」
上の公式を見ていただければ、それがわかると思います。
物体の持つエネルギー量は、その物体の「質量」と、「光速の二乗」をかけあわせたもの
ならば、もし「質量ゼロ」の物体があったら
ゼロは、何をかけてもゼロのまま
それが90億と言う莫大な数字でも、同じ事です。つまり、質量ゼロの物体は、エネルギーもゼロなのです。
エネルギーがゼロと言う事は、加速させるために必要なエネルギーも、ゼロ
そして、全ての物体が光速を超えられない理由は、「無限大の力が必要だから」でした。
もうおわかりですね
そう、光が光速になれる理由、それは、「光には質量が無いから」
実際には、ここで言う「質量」とは、「静止質量」の事を指します。
静止質量とは、止まっている状態での質量の事
動き始めたら、質量があるかもしれない、と言う事です。
微妙な言い回しですが、質量ゼロのはずの光にも、「エネルギー」は存在します(「光エネルギー」と呼ばれています)
電子レンジで物が温まるのも、太陽の光が暖かいのも、リモコンでテレビが操作できるのも、全ては光エネルギーのおかげ
この矛盾を解決するために、「静止質量」と言う言葉を使うのです。つまり、「少なくとも止まった状態では質量は無い。しかし、エネルギーがあるのだから、動き始めたら質量を持つのかもしれない」と言うような意味合いなわけです。また、「光には質量が無い」と断言してしまいましたが、正確には、まだあるかないかはわかっていません。つまり、「光が光速になれる以上、光に質量がないと考えなければ、理論的におかしい」と言う事なのです。
さて、ここまで相対性理論について、長々と語ってきましたが、結局、相対性理論とは何なのか
難しく考えずに、ちょっとまとめてみましょう
普段、日常生活で多く発せられる、「時間」と言う言葉
学校の登校時間、電車の時間、バスの時間
と、時間と言うのは世界共通の物のように思われがちです。
しかし、実はそれは大きな間違い
「時間」と言うのは、全ての物体(もちろん人も)がそれぞれ個別に持っているもので、世界共通の時間なんて、存在しないのです。世界共通の時間、と言うのはつまり、「絶対的な時間」です。
いつどこで何があろうが、絶対に変わらない時間
それが、「世界共通の時間」と言えます。しかし、実際この世界にあるのは、全ての物体がそれぞれ個別に持っている時間です。共通の時間が「絶対的な時間」ならば、個別の時間は「相対的な時間」です。そしてその通り、個別の時間は、それを計る相手によって大きく異なってきます。ブラックホールの近くにいても、自分自身は、普段通りの速度で動く事が出来ます。
しかし、外の人から見れば、ブラックホールの近くの人は、ものすごくゆっっくりとした動作をしていることでしょう
逆に、ブラックホールの近くの人から、外の人を見れば、ものすごく速い動作を見る事が出来るでしょう
「時間は相対的である。
人は皆、その人個人の時間を持っている」
それを証明したのが、この「相対性理論」なのです。
つまり、相対性理論とは、一言で言うと、「時間とは一定ではなく、変化する」
と言う理論なのです。「相対性理論」はもちろん、物理学の話であり、公式もたくさん存在しますし、もっと複雑な話もたくさんあります。しかし、相対性理論の基本中の基本は、とにかくこう言う事なのです。
参考文献;「ぼくだってアインシュタイン」シリーズ(福江 純・文)
タイムマシンをつくろう
森羅万象を解き明かす科学の雑学の部屋
知識の管理人;パクト=ペラン=マリエル
「いらっしゃいませ。こちらは森羅万象を解き明かす科学の雑学の部屋です。ここには、物の仕組みや自然現象に関する雑学をまとめてあります。
キグロさんが科学好きなため、やたらと更新頻度の高い部屋となっています」
「なお、『雲の出来方』より上の50個の雑学は、全て2階に移しました。
ご覧になりたい方は、奥の階段を上ってください」
あんな重い飛行機が何故飛ぶ。
透明人間ははたして可能か
テープの声と自分の声は何故違う。
不快指数はどうやって計ってるの
紙とじ器(商標ホッチキス)の針はどうやってくっつける。
ラムネのビー玉はどうやっていれるの
タイムマシンは果たしてつくれるか
電子レンジはなんで物を温められる。水は水素と酸素から出来ているのに何故燃えない。100度のサウナで何故火傷しない。電子レンジの台は何故回転する。エレベーターのワイヤーが切れたらどうなる。
荷物を持って階段を上がる時上と下とはどっちが楽か
火に息を吹きかけると何故消える。火に水をかけると何故消える。胃のレントゲンを撮る時何故バリウムを飲む。発電所はどうやって発電している。
真空の中でマッチを擦ると
イヌ笛の音は何故人には聞こえない。
マイナスイオンってなに
炭酸水に入れた氷は、何故速く溶ける。寒い日に息を吐くと、何故白くなる。
冬になるとガラスが曇るのは何故
カイロがお店に並んでいる間に冷めないのは何故
バスの中で最も揺れない場所はどこ
何故夏は暑く冬は寒いのか
真空パックは真空じゃない。北極点に方位磁針を置くとどうなる。
ストローで何故水を吸い上げられるのか
アイロンでどうしてしわが伸びるのか
何度も噴火して、マグマが無くなることは無いのか
蛇口の内側のギザギザは何のためにある。
鉛筆で文字が書けるのは何故か
プラスとマイナス
宇宙には空気がないのに、太陽の熱が地球に届くのは何故か
新しい電池と古い電池を同時に使うとどうなるのか
テレビ映像内で回転しているものが逆に回るのは何故
ビール瓶やドリンク剤の瓶が茶色いのは何故か
虹は何故見える。
ガソリンスタンドのガソリンはどこに入っているのか
N極、S極だけの磁石は何故ないのか
モチを焼くと、何故膨らむのか
二酸化炭素の中で燃える物質
飛行機の燃費はどのぐらい
酸素の無い宇宙、何故太陽は燃えていられる。
地球はどうして丸いのか
電線に止まった鳥は、何故感電しないのか
ホコリが無いと、雨が降らない。
梅雨入りと梅雨明けの定義は
海水浴場で波が来ると、砂が黒くなる理由
花火の仕組み
潮が満ちたとき、地球の反対側でも潮が満ちる理由
湯あかの正体
ハワイは日本に近付きつつ、消滅する。「夕焼けの色」は、奥が深い。
お札の「すかし」の作り方
果たして水か、それとも氷か
地球温暖化は、自然現象
鏡は何故左右逆さまに映るのか
ボウリングの球は、何で出来ているのか
テレビの仕組み1〜ブラウン管テレビ〜
テレビの仕組み2〜液晶テレビ〜
テレビの仕組み3〜プラズマテレビ〜
ガラスの正体
宇宙の電波を、携帯電話でキャッチ
オゾンホールは、何故南極にしか現れないのか
ジェットコースターの動力
アイススケートは、何故滑るのか
長さ30万キロメートルの棒を動かすと、不思議な事が起こる。水をかけると燃え始める。宇宙の中心は、ここだ。
手をこすると温かくなるのは何故
電子レンジに金属を入れてはいけない理由
果たして、銀河系に宇宙人は存在するのか
白い水着が透ける理由&透けない理由
石灰水に息を吹き込むと、白くなる理由
アポロが月に置いてきた物
地動説は間違っていた。
ボウリングの球が突然曲がるのは何故か
特別付録「アインシュタインの相対性理論」の本を開く|2階へ上る。検索サイトからいらっしゃった方へ;ブラウザのツールバーにある「編集」から、「検索」「このページを検索」を選び、このページ内を検索してください。
海水浴場で波が来ると、砂が黒くなる理由
海水浴場で、白い砂浜に波が来ると、引いたとき、一瞬砂が黒く見えます。
何故、白い砂が水に濡れると黒く見えるのでしょうか
それは、白い砂の成分の大半が、「酸化ケイ素」だからです。
そもそも、色は何故見えるのでしょうか
色は、物が光を反射させる事によって見えます。太陽の光には、実は様々な色の光が含まれていて、これらのうち何を反射させるかによって、色が決まります。例えば、赤色の光だけを反射すれば赤く見え、緑色の光だけを反射すれば、緑色に見えます。では、白はと言うと、白色は、全ての光を反射させた場合、白色に見えるのです。そして、黒色は、ほとんど光を反射させない場合、黒く見えるのです。この酸化ケイ素は、光を反射させる性質を持っています。また、砂浜にはたいてい、大小様々な砂があり、それらに太陽光線が当たると、乱反射が起こります。この乱反射が無いと、光が鏡に当たったように反射されてしまい、太陽の光が丁度反射される位置に立たなければ、砂浜は真っ黒に見えてしまいます。この光を乱反射させる砂浜の性質が、砂浜を白く見せているのです。
では、水に濡れると何故黒くなるのでしょうか
水が掛かると、水が太陽光線の反射の妨害をするため、反射が少なくなります。また、全体に膜が掛かったような状態になるため、乱反射も少なくなり、結果として黒く見えるのです。
(妨害する原理が良くわからないので、どなたか知っていたら教えてください)
花火の仕組み
夏の夜空を彩る花火
あれは、どのような仕組みであのようになっているのでしょうか
実は花火は、単純に火薬を爆発させているだけなのです。
ただし、その火薬には「過塩素酸カリウム」と言う物質を、爆発しやすくするために混ぜ込んであります(この過塩素酸カリウムの事を、「酸化剤」と言います)