話題満載 池ちゃんの 『破常識』で行こう！

重力波の観測に成功！って何？ 入門編

昨日、「重力波の観測に成功」「百年ぶりの大発見」「ノーベル賞級の快挙」と世間が大騒ぎとなりました。

ところで、何がそんなに凄いの？  それか何なの？

そんな疑問を抱いた方も多いはず。

 

新聞読んでも分からない、解説聞いても分からない、そんな貴方のために急遽、とっても分かりやすく解説いたしましょう。

「池ちゃんの解ったつもり『重力波』」。

まずは「だからどうなの？」入門編です。

 

ではまず「重力波」の解説。ちょっと難しいですので、サラリと読み流してください。

太陽の様な恒星・光を放つ星やブラックホールなどは、とても大きな質量を持っています。

そして、それが動くと空間が歪み、波紋のように広がります。これが『重力波』。

光の速度は一定なので、速度が違う光を観測出来れば「空間の歪み」を観測できた事になり、今回はブラックホールからそれを観測したのです。

と、詳しい話はまた別の機会に解説いたしましょう。

 

とにかく、その波が「重力波」と呼ばれ、１００年前にアインシュタインが予測してから今まで観測出来なかったというのだから凄まじい。

・・・で、だから何なのか！

 

ブラックホールはビッグバンとも密接な関わりがあり、宇宙の誕生の解明には欠かせないもの。

しかし、いかんせんブラックホールは「光」さえも呑み込んで逃がさない底なし沼。赤外線でも紫外線でもＸ線でも見えません。

人類は、宇宙望遠鏡などを開発して何億光年先の天体まで観測出来る様になったものの、真っ暗な宇宙に存在する光を反射しない闇の様なブラックホールの観測は非常に難しかったのです。

 

それが、今回ブラックホールが放つ波を観測出来た事で、ブラックホールの姿こそ見えないものの、本体がどこにあるかを知る事が可能になります。

これによって研究が進み、やがては宇宙の誕生・起源までが解明できるのではないか。

そんな期待が一気に膨らんだのです。

宇宙の温度−５＜超低温の世界−超流動＞

いよいよこのシリーズも最後となりました。
今回は、超低温におけるもう一つの不思議な現象「超流動」を御紹介致しましょう。
「超流動」、何とも仰々しい名称ですね。

前回「超伝導」（電気抵抗が無くなる）をお話ししましたが、超低温の世界ではこれに似た性質として「粘性抵抗」も無くなります。
ところで、この「粘性抵抗」とは何なのでしょう。
たとえば水でガラスを濡らすと、水を切っても水滴が残ってしまいますね。これは水の「粘性」によるものです。
これが抵抗となり、例えば注射針の様な細い所を急いで通そうと思っても、水は少しずつしか通りません。粘度が高いネバネバの液体なら一層抵抗が増え、時間が掛かります。
では、この「粘性抵抗」が無くなるとどうなるでしょう。
抵抗が無くなるのですから、注射針だろうが何だろうが、まるで忍者の様にすいすいと通り抜けてしまいます。表面張力もありません。
注射器を下に向けただけで、スススーッと零れ落ちてしまいます。

更に面白い現象が起こります。
例えば、液体ヘリウムをビーカー等の容器に入れると気圧によって下に押され、ヘリウムが生き物のように壁を這い上がります（サイホン現象）。
これは壁の抵抗を全く受けない為なのですが、これによって容器の中の液体ヘリウムはどんどん外へ流れ出てしまう。また、溜まる事なくどんな所もすり抜けてしまう。
不思議ですね。これが「超流動」と呼ばれるものです。

少し難しくなってしまいましたね。
ちょっと理解しにくいでしょうが、それもその筈。これらは通常、原子レベルの大きさ以下で見られる「量子現象」なのです。つまり、本来はミクロの世界のもの。
そんな世界が「超低温」では例外的に目に見える形として起こってしまう。
量子現象は「量子力学」（ミクロの世界の物理学）でしか説明出来ません。ですので、話はここまで。
「何となく」で良いのです。現象だけを楽しみましょう。

リニアモーターカーにしても、こうして話を紐解いてみると、学者や研究者達の努力の賜である事が分かります。
「トンネル突入の衝突音がうるさい」「お金が掛かりすぎる」
この様な問題が取りざたされてから随分経ちますし、その間に別の技術が台頭しても来ています。
しかし、これまでの苦労を思うと、なかなか開発をやめることができない。
そんな気持ちも何となく分かる様な気がする。皆さんはもうその様なレベルに達していると思います。

「宇宙の温度」。
マイナス２７０度Ｃという、ほぼ「絶対零度」の世界。
我々が地球を飛び出して降り立てる星は、温度だけを見てもマイナス１００度Ｃ以下という過酷な環境です。
人類、いや大国の欲望は果てしなく膨らみますが、このような所で人類は本当に生きて行けるのでしょうか。
他の星への移住を夢見るより、まずこの地球を守る事に全力を傾けるべきだとは思いませんか？

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宇宙の温度−４＜超低温の世界−超伝導＞

今回は、前回の超高温の世界に続き「超低温の世界」です。

「宇宙空間って何度Ｃなのだろう」
「寒いというイメージだけど、一体どのくらい？」
ＷＭＡＰ衛星の観測で得られたデーターによると、宇宙の平均温度は摂氏マイナス２７０度Ｃだそうです。
絶対零度がマイナス２７３．１５度Ｃ、ヘリウムが気化するのがマイナス２６９度Ｃですから、宇宙の温度は概ね「極限の低温」と言っても良いでしょう。
ちなみに、冥王星の表面温度はマイナス２２９度Ｃ、土星の表面温度・水星の夜はマイナス１８０度Ｃ、火星の冬の夜はマイナス１４０度Ｃ、夜の月面はマイナス１２０度Ｃです。
地球はと言うと、高度５０〜８０ｋｍで平均マイナス９２．５度Ｃ、観測史上最も低かった地上の気温がマイナス８９．２度Ｃ。
ううむ、なかなかのものではありませんか？

さて「絶対零度」が何なのかは分かりましたが、物質が絶対零度に向かって温度を下げ続けるとどうなるのでしょう。
それ以上低温にはならない絶対零度。そこに近づくにつれ、物質は不思議な現象を引き起こします。
超低温の世界で一番有名なのは、やはり何と言っても「超伝導」。そして超伝導と言えば、あの「リニアモーターカー」「超伝導磁石」です。

ここからは電気の話ですが、難しくは無いのでお付き合い下さいね。
一般的に金属は電気を流しやすい物質ではありますが、その種類によって異なる「電気抵抗」が存在します。「抵抗」懐かしいですね。
ところが、超低温にすると金属の電気抵抗がゼロになってしまいます。
すると一体どうなってしまうのでしょうか？

抵抗があると、そこでエネルギーが熱に変換され、少しずつロスして行きます。
しかし、抵抗が無ければロスが無い。いつまでも元のエネルギーのまま。
その「ロスの無い超伝導体」で輪を作れば、一度電流を流すだけでいつまでも電流が流れ続けます。
この「超伝導原理」を利用し、大電流を流して作った強力な電磁石が「超伝導磁石」。
そして、この「超伝導磁石」によって生み出される強力な磁場を使って作られるのが、「リニアモーターカー」や光速に近い速度を作る「加速器」、「核融合実験装置」などです。

凄いですよね。超低温の世界は立派に利用されています。決して理論の為の理論ではありません。
こうして一つ一つの理論が、新しい科学を生み出して行くのです。

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宇宙の温度−３＜超高温の世界＞

前回は「温度とは粒子の運動速度である」とお話ししました。
物質は「絶対零度」の状態では固体であり、粒子の運動はゼロ。
温度が上がるにつれ振動を始めた原子・分子が緩やかにほぐれ、「液体」となって粒子の運動量が速くなります。
さらに温度が上がると、今度は原子の結びつきが離れて空間を自由に飛び回り始めます。つまり、「気体」となって膨張するのです。
さらに温度を上げると粒子のスピードは加速、気体はさらに膨張して行きます。

では、気体の先に待っているのは何か。さらに温度を上げてみましょう。
「気体」が温度の限界を迎えると、原子から一つずつ電子が飛び出して「電離」して行きます。この「電子が飛び出した原子」が、あの「イオン」と呼ばれるものなのです。
そして、この電子とイオンが飛び回っている空間が「プラズマ」。そう、あの「プラズマ」です。
プラズマは珍しいものではありませんよね。
「プラズマ放電」による光を利用したもの、「プラズマテレビ」や「蛍光灯」もそうです。
宇宙の空間に目をやると「９９％はプラズマ状態である」とも言われています。

さあ、やっと宇宙の話しになりました。
では問題です。

蛍光管は１万度Ｃですが、太陽の表面は何度Ｃでしょうか？

答え：６０００度C

あれ？　蛍光管の方が４０００度Ｃも高いの？
そうなのですね。プラズマ技術って凄いと思いませんか？

しかし、これはあくまでも裸にした太陽の表面温度。
太陽大気層の一番外側では１０００万度Ｃ、中心部では１５００万度Ｃにもなりますから、やはり桁違いですね。
更に遠くに目を向けると、上には上がありますよ。
太陽以外の恒星（光を出している星。沢山あります）の中心部は「数十億度Ｃ」だと言いますし、超新星爆発やブラックホールの周りは「数百億度Ｃ」、これはもう想像を絶する温度です。ちなみにこれらはＸ線で観測します。

ただ、宇宙ガスの中には数億度Ｃあっても熱くないものもあります。
前回話した「分子・原子の密度」に関係していますが、そのガスに含まれる原子は１立方メートルあたり０．１〜１０個程度。ですから熱く感じないのです。
ああ良かった？？？

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宇宙の温度−２＜温度≠熱さ＞

そもそも「温度とは何か」。今回はこの話をしてみましょう。

「温度が高い・低い」この「温度」とは一体何なのか。
物質（固体・液体・気体）には分子・原子などの粒子があり、常に動いています。
その動きが「温度」となり、激しく動く程「高い温度」、動きが鈍い程「低い温度」となるわけです。

そこで前回お話しした「絶対零度」となるのですが、何故それ以上温度が下がることは無いと言えるのか。
それは、温度が下がるにつれ粒子の動きが鈍くなり、マイナス２７３．１５度Ｃまで下がった時点で動きが止まってしまう。だからそれ以上温度が下がることが無い。そう考えられるのですね。
「これ以上低くならない温度」「マイナスが存在しない温度」
だから「絶対零度」なのです。

さて、次は「温度と熱さ」のお話です。
一般的に「温度が高いほど熱い」と思われていますが、実はそうではありません。
身近な話では「気温」がそうですよね。蒸し暑い（水分が多い）３０度Ｃより、湿度の低い４０度Ｃの方が涼しく感じます。
また、物質の違いでも感じる事が出来ます。例えば「空気と水」。
サウナの４５度Ｃは苦もなく入れますが、お風呂の４５度Ｃは熱くてたまりません。
汗をかく事による気化熱の関係もありますが、であれば気化熱が関係ない「５度Ｃの気温」と「５度Ｃの水」で考えるとさらに分かりやすいでしょう。

では何故こういう事が起きるのか。それは、気体と液体では「分子の密度」が違うからです。
液体の様に密度が高ければ、それだけ皮膚から入り込む量が多いので熱さを感じますし、気体の様に密度が低ければ熱く感じにくい。
極端な例を挙げてみましょう。
皆さんよく御存知の「蛍光管」ですが、何とその内部に入っているガスの温度は「１万度Ｃ」にもなります。
普通、この温度ではプラスチックは溶け、金属も変形してしまったり溶けたりします。では何故そうならないのか。

これは、蛍光管を割った事のある人ならお分かりでしょうが、ひびを入れるつもりで軽く割っても瞬時に砕けてしまいますよね。中の気圧がとても低く、外の大気と比べて２５０分の１ほどだからです。
気圧が低く、分子の密度が低い（量が少ない）。だからこそ、熱くならずに超高温になる事が出来て光を放てるのですね。

「温度≠熱さ」

温度と熱さは別のものである。温度が高いとは「熱い」という事ではない。
温度は「粒子の運動速度」という物理的なものであり、熱さとは「感覚」である。
お分かり頂けたでしょうか。

いよいよ次回は「宇宙の温度」。これに迫りたいと思います。

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