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量子力学と意識の変容(宇宙と人間の無限性について)

量子力学をどのように生活に活用するか、量子力学と意識の変容とタイムトラベル・パワレルワールドの究極の可能性を探求します。

黒体放射とは一体何か? 2 エネルギーの量子化(プランク定数)

2012-03-17 | 日記
黒体放射で、レイリー(ジョン・ウィリアム・ストラット)と、
ジェームズ・ホップウッド・ジーンズが、一番、理論的な説明に困ったのは、



もし、箱の中に波をエネルギーとして加えていったら
どうなるかという問題でした。

古典物理学の立場では、
エネルギーは、切れ目なく連続的に存在していると考えます。



エネルギーが無限に積み重なっていくとすると、
箱の中を熱した場合、どんどん放射するエネルギーが増大し、
箱の中を見ている人も、一瞬で燃えてしまうことになります。
(※「紫外発散」)



波として放射されるエネルギーが、
(古典物理学の立場から)連続であるとすると、
赤外線のように低周波の波であっても、
暖炉の前で、長時間火に当たっていると、
ある時、身体が燃え出してしまうことになります。



しかし、そんなことは実際には起こっていません。
ということは、何か理論的に違っているわけです。

世界の物理学者は困っていました。

そこに登場したのが、マックス・プランクです。



彼は、エネルギーが連続的である、とする
古典物理学の前提について考え始めました。



水は、流れ落ちている様子は、
連続して、つながっているように見えます。

しかし、時間の流れを遅くし、水の量が少なくなった時には、
しずくのように、一滴一滴の水のかたまりになります。



もしかして、エネルギーもそうなのではないかと、
マックス・プランクは考えたのです。



彼は、マクスウェルの記述からヒントを得て、
エネルギーも最小の単位があるのではないかと仮定しました。

黒体放射 マックス・プランクの記述
U N [N個の振動子の振動エネルギー ]は、連続無限に割り切れる量としてではなく、有限の等分の整数で構成される離散的な量として解釈する。 私たちはこのような各部分のエネルギー要素εと呼ぶことにする。



そしてこの物理量を
ENERGY QUANTA (量子的エネルギー)と名付けました。

(これが、プランク定数と呼ばれるものであり、
 量子力学と宇宙の構造を明かす超重要な定数です。)



プランクの法則 - Wikipedia
プランクの法則(プランクのほうそく)とは物理学における黒体から輻射(放射)される電磁波の分光放射輝度、もしくはエネルギー密度の分布に関する公式。プランクの公式とも呼ばれる。ある温度 T における黒体からの電磁輻射の分光放射輝度を全波長領域において正しく説明することができる。1900年、ドイツの物理学者マックス・プランクによって、導かれた。 プランクはこの法則の導出を考える中で、輻射場の振動子のエネルギーが、あるエネルギー素量(現在はエネルギー量子とよばれる)E=hν の整数倍になっていると仮定した。このエネルギーの量子仮説(量子化)はその後の量子力学の幕開けに大きな影響を与えた。





(光のエネルギー)=(プランク定数)×(振動数)

h=0.0000000000000000000000000000000006626 [ジュール・秒]

実は、この非常に小さな物理量が、
とても大切な、宇宙構造を決めている重要な最小単位だったのです。

プランク定数 - Wikipedia
プランク定数(プランクていすう、プランクじょうすう、Planck's constant)は、量子力学の基礎となる単位を示す物理定数である。量子力学の創始者の一人であるマックス・プランクにちなんで命名された。一般に h と記される。プランク定数は、量子の関わる広範な現象に登場する普遍的な定数である。例えば光子の持つエネルギー E は振動数 ν に比例し、その比例定数はプランク定数 h に等しい。



しかし、このプランクの法則は、最初
レイリー・ジーンズの法則とヴィーンの放射法則の間を取った
補間式を探している最中に、偶然のように出来上がった式で、
(なぜかはわからないが)実験結果に良く合う数式
ということで発表されました。



h:プランク定数、k:ボルツマン定数、c:光速度

この式を発表してから、2ヵ月後に(この式が正しい理由を考え)
その理論を説明する「エネルギーの量子化」を明らかにしました。

しかしプランクは、まさかこの定数が、
宇宙の構造に直接関わっている重要な数だとは知らず、
古典力学を信奉する立場から、
生涯、「エネルギーの量子化」の事実に苦しんでいたようです。


弟子筋のアインシュタインも、結局、
光電効果は説明して、光の量子化を広めたものの、
量子力学自体は、最後まで研究することはありませんでした。

光 - Wikipedia
粒子(量子)としての光を光子(光量子)という。光子は電磁場の量子化によって現れる量子の1つで、電磁相互作用を媒介する。ニュートンの光の粒子説によって唱えられた。現在の光子の概念はアインシュタインによって提唱された。


プランクからの量子力学の量子概念の発展は

マックス・プランク(エネルギーの量子化 プランク数発見)
 → アインシュタイン(光の量子化 光電効果説明)
  → ル・ド・ブロイ (物質波 ド・ブロイ波長

となります。

前期量子論 - Wikipedia
前期量子論はプランクによる黒体放射(輻射)の理論(エネルギー量子仮説)により始まった。黒体からの放射は実験的にある波長に極大を持ち、その波長は黒体の温度の増加にともない短波長側にシフトすることが知られていた。この、一見単純な現象を古典力学(統計力学)の枠内で定式化したレイリーやジーンズの扱い(レイリー・ジーンズの法則)に従えば、黒体からの放射強度は短波長になるに従い強くなり波長0の極限では発散する。この理論と実験の矛盾を解消するために、プランクは黒体内の放射場のエネルギーが振動数に比例した特定の値を単位としてしか変化できないという「量子化」という概念を提唱し、振動数とエネルギーを結びつける定数(プランク定数)hを導入した。

プランクに続き、アインシュタインが量子化の概念を光に拡張し、光電効果を説明するために光量子仮説を提唱した。

前期量子論の最後を飾る仕事はド・ブロイによる「物質波」という概念の提唱である。ド・ブロイはアインシュタインの光量子仮説の逆の筋道で思考し、「物質(粒子)にも波動としての性質が伴う」として、物質粒子の波長としての性質を計算して示した。


#2 Quantum Leap Max Planck and Black Body Radiation



プランクの理論(EMANの物理学)

プランクの量子仮説(Albert Einstein's science and life)

プランクの公式(インターネット・セミナー)

Perfect Black Body and Its Spectrum


Max Planck und die Quantenphysik


黒体放射とは一体何か? 1 溶鉱炉内の鉄の発光と温度 「熱放射」

2012-03-16 | 日記
マックス・プランクの生まれた時代(1858年)は、
18世紀から19世紀かけて始まっていた産業革命の真っ只中でした。

産業革命 - Wikipedia
産業革命(さんぎょうかくめい、英: Industrial Revolution)は、18世紀から19世紀にかけて起こった工場制機械工業の導入による産業の変革と、それに伴う社会構造の変革のことである。


そして、ジェームズ・ワットが発明した蒸気機関や、
さまざまな近代的な機械・器具の発達によって、
ヨーロッパ全域は、家内製手工業の時代から
マニュファクチュア(工場制手工業)へと、
移行しつつありました。

産業革命の発展の中でも、製鉄技術の改良と発展は、
その後のアメリカでのUSスチールの発展で見られるように
時代の鍵を握る重要な課題になっていました。

製鉄技術の改良 - Wikipedia

繊維業とならんでイギリス産業革命の推進役となったのが製鉄業である。鉄の需要は、はじめのうちは生活革命によって使用されるようになった軽工業製品によって牽引されたが、やがて産業革命が進むにつれて、工業機械や鉄道のためにさらなる鉄が必要となっていった。イギリスで作られた工業機械は、海外へ輸出され、ドイツなどの工業化を進めることとなった。



そのような趨勢の中、ドイツでも
国家の機軸として、「鉄」の生産に重点が置かれ、
マックス・プランクは、今まで職人の勘で行っていた製鉄の技法を
工業的に洗練されたものに進化させるために研究に加わることになったのです。

当時、問題になっていたのは、
鉄鉱石から鉄を作る過程で、溶鉱炉の中の鉄が一体何度であるかを
その光によって明確に知るということでした。

というのも、数千度にもなる溶鉱炉の温度を測る温度計がなく、
ただ唯一、熟達した職人によってなされていたのが、
溶鉱炉内で溶けた鉄の発光している色による判断で行われていたからです。





今では、どんなものでも熱を加えて暖めると、
赤くなっていくことは知られています。



物質が何であれ、例えばグラスでも、石炭でも
その温度によって七色に変わる光を出し、
物質に関わらず同じ色で発光します。

その色の変化とは、
赤 → 黄色 → 白 → 青白 → 紫 です。





そのために、その発光している色を分析することによって



中にある物質が、どの位の温度であるか
調べることが可能なわけです。

これが、マックス・プランクが研究していたことの中心で、
この研究は、熱放射といわれる分野です。

熱放射 - Wikipedia
熱放射(ねつほうしゃ、英語:thermal radiation)は、熱が電磁波として運ばれる現象。または物体が熱を電磁波として放出する現象をさす。金属を熱すると赤く輝き始める。これは熱せられた物体から赤色の光(電磁波)が出ているのである。赤い光は比較的低温で、物体の温度が上がるにつれて青白い光に変わる。物体から放射される光のスペクトルは物体の種類と温度によって決まっている。(→ウィーンの変位則)



溶鉱炉のように、もし加熱した容器の一部部分だけに
小さな穴が開いていて中が見えるようにすると、
その穴からもれ出てくる光を分析することで、
中の温度がどうなっているか、調べることができます。

(=ある温度でどれだけの振動数と強さを持って
  光を放射するのかがわかります)

この研究で必要なものは、黒体という物質です。

温度が低いときには、黒色に近く(物質に色が付いていないもので)
(特殊な波長を出したり他の波長を吸収したりすることなしに)
高熱になるにつれて発光するものが必要でしたが、

は性質から、まさにその研究にピッタリだったわけです。

黒体 - Wikipedia
黒体(こくたい、英: black body)あるいは完全放射体(かんぜんほうしゃたい)とは、外部から入射する熱放射など(光・電磁波による)を、あらゆる波長に渡って完全に吸収し、また放出できる物体のこと。
黒体放射とは黒体から放射される光。温度が低いときは赤っぽく、温度が高いほど青白くなる。夜空に輝く星々も青白い星ほど温度が高い。温度はK(ケルビン)で表示される。
十分に大きな空洞を考え、空洞を囲む壁は光を含む一切の電磁波を遮断するものとする。この空洞に、その大きさに対し十分に小さな孔を開ける。孔を開けることによる空洞内部の状態の変化は無視できるとする。外部からその孔を通して入った電磁波(ある特定の波長のものが光)が、空洞内部で反射するなどして再び出てくることは、孔が十分に小さければ無視することができる。つまりこの空洞は、外部から入射する電磁波を(ほぼ)完全に吸収する黒体とみなすことができる。




しかし、マックス・プランクの時代には、それはまだ
はっきりと公式がわかっていませんでした。

実験結果から、黒体から放射される電磁波の分光放射輝度
(エネルギー密度の分布)の姿は、わかってきていましたが、
なぜそのような結果になるのかが不明でした。



当時、熱放射のスペクトル分析の実験結果を巡って、
幾つかそれを説明する理論が出ていました。



ひとつは、ヴィーンの放射法則といわれるもので、
黒体放射の実験値と、特に短波長(高周波数)で一致するものでした。



※α、b :定数、f:振動数、T:絶対温度

もうひとつは、レイリー・ジーンズの法則といわれるもので、
黒体放射の実験値と、特に長波長(低周波数)で一致するものでした。



※ Tは温度(K)、k は ボルツマン定数

しかしながら、どちらとも明確に説明できる根拠を持っていませんでした。
ヴィーンの放射法則は、かなり実験結果に近い計算値を出せましたが、
数式の根拠が薄く、一方のレイリー・ジーンズの法則では、
高周波になるにつれて、分布が紫外線領域で無限大になってしまい
エネルギー等配分の法則を適用すると、
全エネルギーも無限大になってしまう「紫外発散」を起こす、
根本的な問題がありました。




ヴィーンの放射法則 - Wikipedia

黒体の熱輻射のスペクトルを説明する。この法則は1896年にヴィルヘルム・ヴィーンによって導かれた。この法則は短波長(高周波数)においては物体の熱輻射のスペクトルを正しく記述するが、長波長(低周波数)の輻射では実験データとの間にずれが生じ、正確に記述できない。

レイリー・ジーンズの法則 - Wikipedia

黒体から放射される電磁波のエネルギー密度の理論式の1つである。しかし、上式は波長が長い領域では実験と良く一致するが、波長が短くなればなるほど実験結果とズレが大きくなる。また、放射の全エネルギー密度を計算しようとすると発散して無限大になってしまう。このことは、黒体放射の問題に対して古典物理学が破綻することを端的に示している。

ウィーンの放射法則(EMANの物理学)

レイリー・ジーンズの理論(EMANの物理学)


宇宙の構造に直接関係している定数:プランク定数とそれを発見したマックス・プランク

2012-03-14 | 日記
量子力学や、宇宙創成期の仕組み、
パラレルワールド(平行宇宙)、タイムトラベルなどを調べていると、
創造の秘密を握るとても重要な鍵となっている言葉があります。

それは、プランク定数です。

プランク定数 Wikipedia
プランク定数 = 6.626068 × 10-34乗 ( m2乗 kg / s )
プランク定数(プランクていすう、プランクじょうすう、Planck's constant)は、量子力学の基礎となる単位を示す物理定数である。量子力学の創始者の一人であるマックス・プランクにちなんで命名された。一般に h と記される。



マックス・プランクは、ただ一心に黒体放射の研究をしていく内に、
図らずも宇宙の根底にある非常に重要な構造を明らかにしてしまった方です。

どうして、鉄の溶鉱炉での明るさの研究(プランク定数)が、
宇宙の構造空間と時間)と、その中で働く力のすべてに、
直接つながっていて、深い関係があるのか?

本当に不思議な話です。


このマックス・プランクの登場から、突然、物理の歴史は一転し、
古典力学 → 量子力学 の時代に入ります。

その点で、マックス・プランクという方は、
アインシュタインと同等か、もしかするとそれ以上の
偉大な物理学者であるともいえます。

(なぜなら彼こそが、今日の量子力学そのものを打ち立てた人物だからです)


※通常、常識的には、
古典力学(プリンキピア)を打ち立てた ニュートン と
相対性理論を打ち立てた アインシュタイン とを
物理学の二大巨頭と考えますが、

実際には、アインシュタインは、量子力学を否定していました。
(「神はサイコロを振らない」)

「神はサイコロを振らない」Wikipedia
光量子仮説によって光電効果の理論的な説明付けを行うなど、初期量子論の確立に多大な貢献をした。しかし、量子が確率論的に振舞うとする量子力学自体については、アインシュタインは、「神はサイコロを振らない」(1926年12月にマックス・ボルンへの手紙にある記述、"Der Alte würfelt nicht.")と懐疑的な立場をとった。


ニュートン
(古典力学:相対性理論の光速度と重力に対する
 時空の歪みゼロとした換算 地球上で誤差の小さい概算


アインシュタイン(光速度に対する一般相対性理論)

この二人の考えは、
「因果関係の明確な計算が可能である」とする「決定論的な物理学」として
同じ立場で、つながっています。

アイザック・ニュートン - Wikipedia
ニュートンは主著『プリンキピア』においてラテン語: "Hypotheses non fingo"(和訳 われ仮説を立てず)と宣言した。あくまで観測できる物事の因果関係を示すという哲学、解釈を展開した。

古典力学の特徴「原因ー結果の法則に基づき、未来が正確に予測できる」

それに対し、量子力学は、
まったく別の考え方、扱い方になります。

物理は「ニュートン力学」「アイシンシュタイン相対性理論」「量子力学」とに分けることができます


因果律決定論的 古典物理学
・・・
ケプラー
ニュートン
アイザック・ニュートンの『光学』
ニュートンは、今日の「光の粒子・波動の二面性」を理解していた方でした
シモン・ラプラス・・・
すべての原子の動きを調べることで、 大きな天体から人間含めて、すべて計算ができると想定されました
マイケル・ファラデー(電気と磁気の研究)
ファラデーの電気と磁気についての研究が、それを基点に発展し相対性理論と量子力学につながります
 → ジェームズ・クラーク・マクスウェル(電磁方程式)
マックスウェルの電磁力統合
マクスウェルの光の電磁波説 「光は電磁波の一種である」
――――――――――――――――――――――――――――
【量子力学 確率論
  → マックス・プランク(黒体放射 プランク定数)
  (→※【因果律・決定論的立場】アインシュタイン 光量子仮説
    →ニールス・ボーアボーアモデル前期量子論
     →ヴェルナー・カール・ハイゼンベルク不確定性原理
      →エルヴィーン・シュレーディンガー波動方程式


※アインシュタインは、非常に不思議な立場にあります。

彼は、光量子仮説で、ニュートンを補佐して、
光電効果を説明し、粒子と波動の二重性を表明しました。

(これは、光と量子力学の根本的な性質です。
 そしてこの発表により、量子力学の基礎が始まりました)

量子力学 - Wikipedia
ニュートン力学では、物体に、初期値すなわち「位置と運動量」を与えれば、その物体の運動は完全に決定される。しかし、実際には、原子や分子、電子、素粒子などの非常に小さなスケールの現象(微視的現象)を扱う場合、粒子の位置と運動量は同時に両方を正確に測定することができない(不確定性原理)。また、原子や電子が粒子としての特徴をもつと同時に波としての特徴をもつ(物質波の概念)ことが知られている。一方、光や電波のような電磁波もまた、波としての性質を持つと同時に粒子としての特徴をもつ(光量子仮説)ことが知られている。このような性質をもっている量子という概念を導入すると、量子の確率分布を数学的に記述することができ(確率解釈)、粒子や電磁波の振る舞いを理解することができる。これを量子力学と呼ぶ。


同時に、アインシュタインは、
量子力学の不明瞭な電子の動き(確率的存在)に関しては、
これを受け入れず、量子力学自体を否定していました。


※また、同時に、プランク定数の発見者である
マックス・プランク自身も、自らの
エネルギーが量子的に放射されているという考え方に、
(古典物理学の立場から)疑問を呈していました。

しかしながら、マックス・プランクは、
エネルギーの量子化という概念は納得できないけれども、
こう考える以外に、黒体放射の現象を説明することができない、
と、プランク定数を表明したわけです。


マックス・プランク Wikipedia
マックス・カール・エルンスト・ルートヴィヒ・プランク(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858年4月23日 - 1947年10月4日)はドイツの物理学者で量子論の創始者の一人である。「量子論の父」とも呼ばれている。黒体から放射されるエネルギー(黒体放射)に関して、熱力学の理論シュテファン=ボルツマンの法則(または、ヴィーンの変位則)から導かれる予測と実験的に求められた結果(レイリー・ジーンズの法則)との間に矛盾があることが知られていた。プランクは光のエネルギーが、ある最小単位の整数倍の値しか取ることが出来ないと仮定するとこの矛盾が解消されることを発見し、放射に関するプランクの法則(1900年)を導出した。またこの過程で得られた光の最小単位に関する定数(1899年)はプランク定数と名づけられ、物理学における基礎定数の一つとなった。プランクが導いた結果は、後にアルベルト・アインシュタイン、ニールス・ボーアなどによって確立された量子力学の基礎となるものであった。

Blackbody Radiation


黒体放射 Wikipedia
黒体(こくたい、英: black body)あるいは完全放射体(かんぜんほうしゃたい)とは、外部から入射する熱放射など(光・電磁波による)を、あらゆる波長に渡って完全に吸収し、また放出できる物体のこと。黒体放射とは黒体から放射される光。温度が低いときは赤っぽく、温度が高いほど青白くなる。夜空に輝く星々も青白い星ほど温度が高い。温度はK(ケルビン)で表示される。黒体からの熱などの放射を黒体放射と言う(以前は黒体輻射ともいった)。ある温度の黒体から放射される電磁波のスペクトルは一定である。温度 T において、波長 λ の電磁波の黒体放射強度 B (λ) は、
で表される。これをプランク分布という。
物理的に黒体放射をプランク分布で説明するためには、黒体が電磁波を放出する(電気双極子が振動する)ときの振動子の量子化を仮定する必要がある(プランクの法則)。つまり、振動子が持ちうるエネルギー (E) は振動数 (ν) の整数倍に比例しなければならない。 E = nhν (n = 0, 1, 2, ...)
この比例定数 h = 6.626×10-34 [J・s] は、後にプランク定数とよばれ物理学の基本定数となった。これは物理量は連続な値をとり、量子化されないとする古典力学と反する仮定であったが、1905年にアルベルト・アインシュタインがこのプランクの量子化の仮定と、光子の概念を用いて光電効果を説明したことにより、この量子化の仮定に基づいた量子力学が築かれることとなった。

マックス・プランクの導出の黒体放射法
Max Planck's Derivation Blackbody Radiation Law


黒体放射 Blackbody Radiation The Physics Hypertextbook


「最小構成単位」であるはずの原子にさらに内部構造があるのを発見したジョゼフ・ジョン・トムソン

2012-03-12 | 日記
「最小構成単位」であるはずの原子(アトム Atom)に
さらに内部構造があるのを発見した物理学者が、
ジョゼフ・ジョン・トムソンです。



今日では、原子が原子核と電子から構成されていることは、
中学でも学びますが、マクスウェルの時代までは、
「最小構成単位・アトム」がどうなっているのか、
電気とは何か、はよくわかっていませんでした。

この「電子」エレクトロン Electron という素粒子は、
今日の量子力学で発見されている微細な素粒子群の中の重要なひとつです。

(つまり、非常に小さな最小構成要素のひとつです。)

電子 - Wikipedia

電子(でんし、英語: Electron)とは、宇宙を構成する素粒子のうちのレプトンの1つである。素粒子の標準模型では、第1世代の荷電レプトンとして位置づけられる。


トムソンは、原子にはさらに小さな構成があると考え、
実験によって、陰極線が電場によって曲がる現象を
マイナスの電荷を持つ電子の働きによるものとしました。



陰極線は、磁石が無いところでは、まっすぐに進行します。



しかし、磁石を近付けると、陰極線が曲がります。

この実験事実から、陰極線を構成しているものが、
マイナスに荷電された粒子性であり、



アトム(原子)は、全体がプラスの原子の中に
マイナスの電子が、ブドウパンのように埋まっているものであると
トムソンは考えました。



ブドウパンモデル - Wikipedia
ブドウパンモデルまたはプラムプディングモデルとは、1897年に電子を発見したJ・J・トムソンが提唱した原子の内部構造に関する原子模型で、1904年に発表された当時、原子核はまだ発見されていなかった。この模型では、正の電荷のスープの中に負の電荷を持った電子(トムソンは電子ではなく "corpuscles"と呼んでいたが、"electron" という呼称は1894年に G. J. Stoney が提案した[1])が散らばっていて、全体として電荷の均衡が保たれているとしている。ちょうどプラムの果実が負の電荷を持つ粒子で、それが正の電荷を持つ「プディング」に取り囲まれているようであることから「プラムプディングモデル」と名付けられた。

Thomson


電子の発見- Wikipedia
電子の発見は陰極線の発見に端を発する。その当時物体は、電気を通す物体と電気を通さない物体に分類されることが一般的であった。しかし科学者たちはどんな物体の中でも電圧を上げれば電流を流すことができると考えていた。そこでほぼ真空に近い陰極線管(クルックス管)に電圧をかけてみると直線状の影が現れた。ドイツの物理学者オイゲン・ゴルトシュタインはこの直線が陰極から発せられていたことから「陰極線」と名付けた。
この陰極線の正体について学者らの意見は分かれた。欧州大陸の学者は陰極線の正体は海の波のように直線的に動いているので波動であるとし、イギリスの学者は重力の影響を受けないほど高速で移動している粒子であるとした。
この大陸側とイギリス側の論争に決着をつけたのはイギリスの物理学者ウィリアム・クルックスであった。クルックスは、今日、自身の名前がつけられている陰極線管、いわゆるクルックス管を用いて、以下のような実験を提案した。陰極線管に磁石を近づけた際に、負に荷電した粒子であれば磁界によって偏向するだろう、 波動であれば磁界によって偏向することはない。また、もし陰極線の正体が荷電した粒子であれば、電界によってより容易に偏向するだろうことが予測される。
1897年に、イギリスの物理学者ジョセフ・ジョン・トムソンは磁気と電気をもちいて陰極線の正体が負に荷電した粒子、すなわち電子であるということをしめした。この電子の発見は原子モデルに大きな変化をもたらした。

The Discovery of the Electron (2 of 15)


ジョゼフ・ジョン・トムソン - Wikipedia
かつて物質の最小構成要素である原子はそれ以上分割できないと信じられていたが、1897年、トムソンは原子に電子という粒子が含まれていることを発見し、それが間違いであることを示した。トムソンは陰極線の特性を調べる過程でそれを発見した。トムソンは陰極線が電場によって曲がることを発見した(磁場によって曲がることは既に知られていた)。電場と磁場によって陰極線が曲がる様子を比較することで、トムソンは陰極線を構成する粒子の質量を測定した。つまり、陰極線が粒子線だということを示したが、その粒子の質量は最も軽い原子である水素原子の2000分の1程度の軽さだということが判明した。

(人を含む)すべての個性的な音(振動)は、 複数(無数)の正弦波から合成されてできています。

2012-03-12 | 日記
音は、実際には、いろいろな音色を持っています。

バイオリンの音と、ピアノの音は違いがあります。

オーケストラでも、楽器のそれぞれは違う音色があり、
太鼓(ドラム)もシンバルも、木琴も、管楽器も皆、
オリジナルの音色があります。

また人の声(声紋)も、まったく同じものは無く、
世界のすべての人の声の質に違いがあります。

それは、これらの音(振動)が、
複数(無数)の正弦波が合成されてできているからです。(合成波

下図は、基礎音から、2層、3層、4層、5層の音が重なって
合成波 composite waveform が形成されている様子です。



Sources Of Sound


実際には、人の人体からも、見えない振動が発生していて、
それらは、全身の細胞、神経、感情、記憶、思考からなる
複雑な合成波を形成しています。


下記は、ルーベンスチューブと呼ばれる、
古典的な音の定常波の実験です。

長いガス管には小さな穴をあけてあり、ガスが漏れ出て炎が付いています。

右から音をパイプに流すと、
振動が内部で往復し、定常波(standing wave)を形成します。

そのため、ガス管内部で音圧(Sound pressure)が掛かり、
炎の形で、波節(nodes) と波腹(anti-node)が出てきます。

周波数によって、波節(nodes)の数と、
波腹(anti-node)の大きさが変わります。

The Rubens' Flame Tube: Seeing Sound Through Fire


次のルーベンスチューブの実験は、
音色と周波数の複合の変化の様子を示したものです。

曲が持っている個性的な振動的変化を、
炎が瞬間的に変換して表現しています。

炎がまるで生きているかのような現われを見せています。

この変化の姿は、実際には、
作曲家と演奏者(グループ)の振動が表現されています。

Portland Rubens' Tube - Music Trials


「波動」というのは、 宇宙の構造と人の意識を解くのに最重要のキーワードです。

2012-03-11 | 日記
波は、実際には平面(3次元)で揺らぎながら伝播し続けています。

Standing Waves & Resonance: No clamps


そして、単振動の動きも、解析すると波の動きが関わっています。
Simple harmonic motion Wikipedia

※力学的エネルギー保存の法則
(位置エネルギー)+(運動エネルギー)=(一定)

正弦波 - Wikipedia
正弦波(せいげんは、sine wave、sinusoidal wave)は、正弦関数として観測可能な周期的変化を示す波動のことである。その波形は正弦曲線(せいげんきょくせん、sine curve)もしくはシヌソイド (Sinusoid) と呼ばれ、数学、信号処理、電気工学およびその他の分野においてしばしば現れ、重要な働きをする。

simple harmonic motion


基本的な波動の動きについて

Sound, Vibration, Wave Characteristics


「波動」というのは、
宇宙の構造と人の意識を解くのに最重要のキーワードです。

そして、非常に謎が多い現象です。

その謎というのは、大きくいうとふたつあります。

ひとつは、媒質の問題、
もうひとつは、物質の波動性の問題です。

媒質の問題とは、一般には振動というのは、
水や空気や地殻のようにエネルギーを伝える媒質が
必要であると考えられていますが、

光のように、真空に近い宇宙空間を伝播してくる電磁波は、
一体何を媒質としているか、ということです。

これを説明するために、古代ギリシア時代から
アイテール(天界を満たしている物質)があるとされ、

この見えない存在によって、
天体の運動や元素が、宇宙の中で支えられている、
と考えられていました。

エーテル (神学) - Wikipedia
エーテル、アイテール(古希: αἰθήρ)とは、古代ギリシャにおける輝く空気の上層を表す言葉であり、アリストテレスによって四大元素説を拡張して天体を構成する第五元素として提唱された。これはスコラ学に受け継がれ、中世のキリスト教的宇宙観においても、天界を構成する物質とされた。


中世、ルネ・デカルトは、真空という「何も無い空間」を哲学的に否定し、
宇宙空間では「エーテル」といわれる「微細な物質」が満ちており、
天体や星々の集合的回転が、それらのエーテルの働きによって
行われていると考えました。

この考えは、非常に的を得ています。

現代物理の大勢では、このエーテル理論は否定されたことになっています。
しかし、実際、よく考えてみると、
「エーテル」的な何か無しに、光が伝播するのは不可能です。

電磁波なる光は、特徴として、波の性質を持っています。
波としてエネルギーが伝わるためには、媒質が必ず必要です。

この点は、現代物理でも回答が出ていません。

そして、この「エーテル的な何か」は、
・鋼よりもはるかに硬い
・質量も粘性も零
・透明で非圧縮性かつ極めて連続的
という性質を持つと考えられます。

結局、現代物理では、「エーテル」を否定している代わりに
ダークマター」または、「ヒッグス・ボゾン」を考え、
宇宙が何かしらの内的で、計測が難しいほど超微細な構造物を持っているとしています。

エーテル (物理) - Wikipedia
空間に何らかの物質が充満しているという考えは古くからあったが、17世紀以後、力や光が空間を伝わるための媒質としてエーテルの存在が仮定された。その端緒の1つはデカルトに見られ、デカルトはぶどうの樽のぶどう酒のようにあらゆる物質の隙間を埋める「微細な物質」を想定してそれが光を伝達させるのだとした。また惑星はその渦に乗って動いていると考えた(渦動説)。

物理の歴史・波動(「物理の部屋」)




あらゆるところで見られる現象: 波 WAVE MOTION

2012-03-10 | 日記
波というのは、あらゆるところで見られる現象です。

地震も、海も、光も、音もそうです。

WAVE MOTION といわれる「波の動き・波動」を持っています。


波には、二つの側面があります。

ひとつは、縦波(longitudinal wave)といわれるのものです。
(媒質の振動が波の進行方向に対して平行)

音は、空気の疎密によって、振動が伝わります。
(よって、疎密波ともいいます)

Sound - Vibration, Frequency, Wavelength


空気が圧縮された部分と、
圧縮されていない部分が交互に伝わっていきます。

これは、地震のP波 Primary wave(第一波)もそうです。



もうひとつは、横波(transverse wave)といわれるものです。
(媒質の振動が波の進行方向に対して垂直)

光やラジオ波(電磁波)は、媒質を通じて波打って伝播していきます。
(※現代物理では光は媒質なしに伝播するとされています。)

地震のS波 Secondary wave(第二波)がそうです。



縦波と横波 - Wikipedia
波は媒質の振動が伝播する現象であるが、媒質の振動が波の進行方向に対して平行であるものを縦波(longitudinal wave)といい、垂直であるものを横波(transverse wave)という。 媒質の種類により縦波が伝播できるか、横波が伝播できるかが決まる。空気を媒質とする音波は、空気の密度の振動が伝播するもの(疎密波)であり、縦波である。真空や透明な物体(あるいは電磁場)を媒質とする電磁波(光を含む)は横波である。電磁波が横波であることはマクスウェルの方程式から導かれる。弾性体を媒質とする弾性波(広義の音波)には縦波と横波の両方が存在する。 実際、地震波には縦波であるP波と横波であるS波が存在し、固体中ではその両方が伝播する。


Wave Motion


前回の定常波(standing wave)をわかりやすく実験しています。

Standing Waves Part I: Demonstration


そしてこれは、3次元の定常波(standing wave)です。
(上の実験は2次元の定常波)

Standing Waves Generated by String Vibration


互いに周期的な電磁場を作りながら進む電磁波と、万物(物質と力)を形成している超微細振動

2012-03-07 | 日記
マクスウェルが数学的に明らかにした電磁波の仕組みとは、
電界と磁界が90度の角度をなしながら、
互いに周期的な電磁場を作りながら進むということです。





つまり、磁界(磁気)があるところ、電場(電気)があり、
電場(電気)があるところ、磁界(磁気)があるということです。

(人間も活動するために神経に生体微弱電流が流れているので、
 人体の周囲に磁界ができています。)

electromagnetic wave



ここで、波の基本的な性質について考えてみます。
波は、いろいろなところで見ることができる普遍的な現象です。
海や空気の振動や、液体のものであれば目で確認できるものです。
また、交流電流も目で見えませんが波の性質を持っています。

Water drop on blue backgroundWater drop on blue background / archeoseby

そして、この波 WAVE というのは、宇宙全域にわたって、
共通の、始原から関わっている根源的な運動形態です。

周波数と波長(爆裂無線研究所)
電波はその名のとおり,波として進んでいきます。波のひとつの単位の長さを波長と言い,単位はメートル[m]です。また,波が1秒間にいくつあるかをその電波の周波数と言います.単位はヘルツ[Hz]です。1Hzの1000倍を1キロヘルツ[lHz],1キロヘルツの1000倍を1メガヘルツ[MHz],1MHzの千倍を1ギガヘルツ[GHz]といいます。

波は、波長(wavelength)振幅(amplitude)
振動数(frequency)周波数(Frequency)の性質で分析されます。


周波数・波長・周期・振幅とはなにか(電磁波の基礎知識)




Physics Tutorial Lesson: Waves Introduction High School College Help


ギターのように長さが決まっている弦の場合、
波の振動は、その弦の中を行ったり来たりします。



そして、弦の振動は、止まっている場所・波節(nodes) と、
上下に波打つ場所・波腹(anti-node)が出てきます。

Physics Tutorial Lesson: Standing Waves High School College Help


定常波 - Wikipedia
定常波(ていじょうは、standing waveまたはstationary wave)とは、波長・周期(振動数または周波数)・振幅・速さ(速度の絶対値)が同じで進行方向が互いに逆向きの2つの波が重なり合うことによってできる、波形が進行せずその場に止まって振動しているようにみえる波動のことである。定在波(ていざいは)ともいう。


両側固定端の共振・共鳴


閉曲線上での定常波

※閉曲線上での定常波と、両側固定端の共振・共鳴は、
万物を形成している素粒子の姿、4つの力
そして超ひも理論に非常に関係があります。

M理論では、万物の物質化と力とは、
超微細の、閉曲線上での定常波と、両側固定端の共振・共鳴によって
成立しているとされています。


マクスウェルの光の電磁波説 「光は電磁波の一種である」

2012-02-29 | 日記
ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、
マイケル・ファラデーの実験を、数式にまとめた偉人と言えます。

マイケル・ファラデーがいなければ、
マクスウェルの方程式も存在せず、
アインシュタインの相対性理論も存在しなかった可能性があります。

そして、マクスウェルの重要な発見(推測)は、
「光が、電磁波の一種である」という光の電磁波説にあります。

光の電磁波説 electromagnetic theory of light:
(ファラデーとマクスウェル 清水書院 後藤 憲一著: マクスウェルについて 瀬戸信也氏)

光は伝搬する電磁波であり、この電磁波の電界と磁界とはマクスウェルの電磁方程式に従う。光は電磁気的現象を起こしている媒体そのものの振動である。たとえば、光の反射・屈折は電磁気的横振動の波の反射・屈折で説明できる。物質の屈折率も電磁気的な値から決まり、誘電率の平方根となる。「光の電磁波説」の根拠は、1)電磁波も光と同じく横波である。2)真空中の電磁波の速さが光の速さに等しい。3)物質の光学的値は電磁気的値から決まる。たとえば、非強磁性体では屈折率が誘電率(比誘電率)の平方根となる。


今日の光と物質形成を理解する大きな基礎を作ったのは、
マクスウェルと言えるかもしれません。

マクスウェルは小さい時、ほとんど喋らない子どもで、
同じ歳の子どもたちから馬鹿にされていたそうですが、
実際には、同時代に数式の意味がわかる人がほとんどいなかったくらいの
高い智恵を持った方でした。

結局、磁場という世界は、直接は人間の目には見えません。
しかし、それが目には見えなくとも働いている「場」があり、
「力」があるということを研究していった結果、
同じく多くは目に見えない「電磁波」という、
一連の不思議な世界を解き明かすことになりました。

私たちが目にしている物質という世界、
3次元の世界、現実(現象)という世界には、
二つの世界が含まれているわけです。

それは、「目に見える世界」と「目に見えない世界」です。

マクスウェルが数式で解き明かし始めたのは、
この「目に見えない世界」の「場」と「力」でした。

電気史偉人典 電気の歴史に名を残す偉人、マクスウェル

光が電磁波たる理由(光と光の記録---光編)

キヤノン:技術のご紹介 | サイエンスラボ 光って、波なの?粒子なの?

Caltech: The Mechanical Universe - 39 - Maxwell's Equation


physics animations - The Magnetic Field


James Clerk Maxwell


Maxwell's Equations



マックスウェルの電磁力統合

2012-02-16 | 日記
古代ギリシア以来、電気と磁気とは、
別々の現象であると考えられていました。

しかし19世紀の初頭に、このふたつの電気と磁気が、
一体のものであり、異なった姿で現れているものである
ということがわかりました。

今では多くの人々がこの事実を知っています。

イギリス、ロンドンの西に
マイケル・ファラデー記念館 en があります。

この建物は、この電気と磁気の深遠な関係を発見した
マイケル・ファラデーを称えたものです。

中では変圧器に関する資料を見ることができます。

しかしマイケル・ファラデーの最大の、そして天才的な貢献は、
彼が、現代の電気の世界そのものの基礎を作ったということにあります。

ファラデーの銅像がある
The Institution of Engineering and Technology (IET:英国工学技術学会)
には、彼の自筆のノートが保管されています。

ファラデー自身によって上品に書かれたノートには、
有名な発見についての言及があります。

「磁気は電気に変換する」

ファラデーが発見したのは、
周囲をコイルで巻いた中で、磁石を回転させると、
電気が発電されることです。

この発電機のシステムは今、全世界の発電所で使われています。

ファラデーは、電気と磁気が
相互に関与しているということを見つけたのです。

しかし、この関係性を数学的に証明したのが、
ジェームズ・クラーク・マクスウェルです。

マクスウェルが明らかにした電磁方程式は、
「ニュートン以来の最大に収穫のあった、深遠な物理学的体験」
と、アインシュタインが後に記述しているものでした。

マクスウェルの電磁方程式とは、


磁束保存の式 … 磁場には源がない。


ファラデー-マクスウェルの式 … 磁場の時間変化があるところには電場が生じる(電磁誘導)。


ガウス-マクスウェルの式 … 電場の源は電荷である。


アンペール-マクスウェル … 電場の時間変化(変位電流という)と電流とで磁場が生じている。

の4つの式からなる方程式系です。

ここでは、ファラデー、カール・フリードリヒ・ガウス
アンドレ=マリ・アンペールの研究が統合されています。

ガウスの法則

アンペールの法則

ここでマックスウェルは、変位電流(へんいでんりゅう)
maxwell displacement current と呼ばれる要素を加え、







という、電磁波の波動方程式を導きます。

マックスウェルは、この定数 C が光速とほとんど一致することから、
光は電磁波なのではないかと考えました。

実際、この計算で定数 C は、

c=3×10の8乗m/s となります。

このようにして、マックスウェルの方程式によって、
電場磁場の関係、電磁波と光自体との関係も明らかになりました。



ジェームズ・クラーク・マクスウェル(ウキペディア)

ジェームズ・クラーク・マクスウェル(James Clerk Maxwell、1831年6月13日 - 1879年11月5日)はイギリス(スコットランド)の理論物理学者である。姓はマックスウェルと表記されることもある。マイケル・ファラデーによる電磁場理論をもとに、1864年にマクスウェルの方程式を導いて古典電磁気学を確立した。さらに電磁波の存在を理論的に予想しその伝播速度が光の速度と同じであること、および横波であることを示した。これらの業績から電磁気学の最も偉大な学者の一人とされる。また、土星の環や気体分子運動論・熱力学・統計力学などの研究でも知られている。
エーテルを弾性体として電気・磁気の力によって伝播する波の速度を求めたところ、光速度とほぼ一致することが明らかになった。すなわち光は横波であり、かつ電磁気と一体の現象として捉えられることがわかった。これらを整理して渦流を用いずに説明できる電磁場のモデルであるマクスウェルの方程式を導き、1864年に王立学会で発表した。
アルベルト・アインシュタインは1920年代にケンブリッジ大学を訪問した際、自分の業績はアイザック・ニュートンよりもマクスウェルに支えられた所が大きいと述べている。


マクスウェル波動方程式(ウキペディア)
真空の誘電率・透磁率から導かれる定数 c が光速度とほとんど一致することから、マクスウェルは光は電磁波ではないかという予測を行ったのである。その予測は1888年にハインリヒ・ヘルツによって実証される。ヘルツはマクスウェルの方程式の研究に貢献したので、マクスウェルの方程式はマクスウェル-ヘルツの(電磁)方程式と呼ばれることもある。


電磁波(ウキペディア)
電磁波(でんじは)は、空間の電場と磁場の変化によって形成された波(波動)のことである。電界と磁界がお互いの電磁誘導によって交互に相手を発生させあうことで、空間そのものが振動する状態が生まれて、この電磁場の周期的な変動が周囲の空間に横波となって伝播していく、エネルギーの放射現象の一種である。そのため、電磁放射とも呼ばれている。
空間そのものがエネルギーを持って振動する、という現象であるため、波を伝える媒体となる物質(媒質)が何も存在しない真空中でも伝わっていくと考えられている。電磁波の電界と磁界が発生する振動方向はお互いに直角であり、また電磁波の進行方向もこれと直角である。基本的には空間中を直進するが、物質が存在する空間では、吸収・屈折・散乱・回折・干渉・反射などの現象が起こる。また、重力場などの空間の歪みによって進行方向が曲がることが観測されている。
真空中を伝播する電磁波の速度は、観測者がどのような方向に、どのような速度で動きながら測定したとしても、一定の値 299,792,458 m/s(約30万キロメートル毎秒)になることが様々な実験により確かめられており、このため真空中の光速度と呼ばれて、最も重要な物理定数のひとつになっている。

電磁波は、19世紀に明らかにされていた次の4つの物理法則、1.ファラデーの電磁誘導の法則、2.アンペールの法則、3.電場に関するガウスの法則、4.磁場に関するガウスの法則、を統合することによって、1864年にジェームズ・クラーク・マクスウェルにより理論的に予測され、1888年にハインリヒ・ヘルツによる実験で発見されている。電磁波の挙動はマクスウェルの方程式として体系化されており、波動方程式の一般解として必然的に導出される。


補論 9 ε と μ の複合 ――マクスウェルの弁証法
(ヘーゲル弁証法の合理的核心を把握する試み)


電磁気のまとめ(物理の小さい余白)


The Unification of Electricity and Magnetism (8 of 15)


ファラデーの電気と磁気についての研究が、それを基点に発展し相対性理論と量子力学につながります

2012-02-15 | 日記
ここで、電気に関する一人の重要な研究者が登場します。

それは、マイケル・ファラデーです。



彼は、19世紀最大の科学者とも言われています。

ファラデーが重要な理由は、
電気と磁気(=電磁気)についての研究が、
彼を基点として発展して、
アインシュタインの相対性理論
現在の量子力学につながっているからです。


その流れは、簡単にするとこうなります。

マイケル・ファラデー(電気と磁気の研究)
 → ジェームズ・クラーク・マクスウェル電磁方程式
  → アインシュタイン(相対性理論)
   → 場の量子論

(※マクスウェルの電磁方程式、アインシュタインの相対性理論、
 場の量子論は、それぞれ他の複数の分野がさらに統合されて
 生み出されています。)


ニュートンが、剛体力学の運動と重力(万有引力)の基点とすると、
ファラデーは、電磁気力の研究の基点になります。

これは、現在考えられている4つの宇宙の力の、
はじめの2つなります。

4つの宇宙の力
重力相互作用(万有引力)………ニュートン
電磁相互作用……………………マクスウェル
強い相互作用……………………量子力学
弱い相互作用……………………量子力学



マイケル・ファラデー(ウキペディア)
マイケル・ファラデー(Michael Faraday, 1791年9月22日 - 1867年8月25日)は、イングランド人の化学者・物理学者で、電磁気学および電気化学の分野での貢献で知られている。
直流電流を流した電気伝導体の周囲の磁場を研究し、物理学における電磁場の基礎理論を確立。それを後にジェームズ・クラーク・マクスウェルが発展させた。同様に電磁誘導の法則、反磁性、電気分解の法則などを発見。磁性が光線に影響を与えること、2つの現象が根底で関連していることを明らかにした。電磁気を利用して回転する装置(電動機)を発明し、その後の電動機技術の基礎を築いた。それだけでなく電気を使ったテクノロジー全般が彼の業績から発展したものである。
化学者としては、ベンゼンを発見し、塩素の包接水和物を研究し、原始的な形のブンゼンバーナーを発明し、酸化数の体系を提案した。アノード、カソード、電極 (electrode)、イオンといった用語はファラデーが一般化させた。
ファラデーは高等教育を受けておらず、高度な数学もほとんど知らなかったが、史上最も影響を及ぼした科学者の1人とされている。アルベルト・アインシュタインは壁にファラデー、ニュートン、マクスウェルの絵を貼っていたという。静電容量のSI単位「ファラッド (F)」はファラデーに因んでいる。また、1モルの電子の電荷に相当するファラデー定数にも名を残している。ファラデーの電磁誘導の法則は、磁束の変化の割合と誘導起電力は比例するという法則である。


マイケルは4人兄弟の3番目で、学校にはほとんど通っていない。多数の本を読むうちに科学への興味が強まり、特に電気に興味を持つようになった。1812年、20歳となり年季奉公の最後の年となったファラデーは、ジョン・テイタム の創設したロンドン市哲学協会(City Philosophical Society)の会合で勉強するようになった。また、当時のイギリスで有名だった化学者ハンフリー・デービーの講演を何度も聴講した。ファラデーは300ページにもなったデービーの講演の際につけたノートをデービーに送った。それを見て感心したデービーは、すぐさま好意的な返事をした。ファラデーが科学の道を歩みたいと言ったところ「科学は苦労の連続である。今は何の仕事もない。もしあったら連絡する」といわれ、ファラデーは落胆した。しかしその後、デービーは塩化窒素の実験中の事故で目を負傷し、ファラデーを秘書として雇うことにした。王立研究所の助手の1人が解雇されると、ハンフリー・デービーは代わりを捜すよう依頼され、1813年3月1日、ファラデーは王立研究所の化学助手となった。



ファラデーは特に電気と磁気の研究でよく知られている。…デンマークの科学者ハンス・クリスティアン・エルステッドが電気と磁気の関係を示す現象を発見すると、1821年にデービーとウイリアム・ウォラストンが電動機を作ろうとしたが失敗した。ファラデーは2人とその問題について話し合い、電磁回転 (electromagnetic rotation) と名付けた動きを生じる2つの装置を作り上げた。1つは水銀を入れた皿の中央に磁石を立て、上から水銀に浸るように針金をたらし、その針金と水銀を通るように電流を流すと、電流によって生じた磁場が磁石の磁場と反発して針金が磁石の周囲を回転し続けるというものである。もう1つは単極電動機と呼ばれるもので、逆に磁石側が針金の周りを回るようになっていた。それらの実験と発明が現代の電磁技術の基礎を築いた。この成果に興奮したファラデーはデービーやウォラストンの許可を得ずに、それを公表した。

これに怒ったデービーとファラデーの関係が悪化し、デービーは電磁気以外の研究をファラデーに押し付け、数年間電磁気研究から遠ざけたと見られている。デービーはファラデーが王立協会の会員になることを猛烈に反対し、自分が見出したファラデーの頭角に嫉妬を抱き始めていた。しかし、ファラデーの友人の推薦により、協会員に選ばれた。

他の科学者たちが電磁気現象を力学における遠隔力と考えていたのに対して、ファラデーは空間における電気力線・磁力線という近接作用的概念から研究している。ファラデーの突破口は、鉄の環に絶縁された導線を巻きつけてコイルを2つ作ったことであり、一方のコイルに電流を流すともう一方のコイルに瞬間的に電流が流れることを発見した。この現象を相互誘導と呼ぶ。その後の実験で、空芯のコイルの中で磁石を動かしても電流が流れることを発見した。また、磁石を固定して導線の方を動かしても電流が流れることを発見。これらの実験で、磁場の変化によって電場が生ずることが明らかとなった。このファラデーの電磁誘導の法則は後にジェームズ・クラーク・マクスウェルが数理モデル化し、4つのマクスウェルの方程式の1つとなった。そして、さらに一般化され場の理論となっている。ファラデーは後にこの原理を使って原始的な発電機を製作している。

後年ファラデーは電磁力が電気伝導体の周囲の空間に及んでいるという説を提案した。しかし他の科学者はその考え方を拒絶し、ファラデーの存命中は認められなかった。ファラデーの帯電した物体や磁石から磁力線が出ているという概念は、電磁場の視覚化手段を提供した。このモデルは19世紀後半の産業を支配した電気機械式装置の開発にとってきわめて重要となった。


・・・・・・・・・・・・・・・

19世紀の初頭、科学者はまだ「宇宙を司っているエネルギー」が、
どのように働いているのか、分かっていませんでした。

当時は、風はどのような力か、ドアが閉まる力は何か分からず、
「力」はそれぞれ別箇に、独立して働いていると考えられていました。

エネルギーの相互の関係も、今日の「4つの宇宙に働く力」のひとつも、
まだ明らかにされていませんでした。

しかし、ここに一人の貧しい青年が、
この宇宙と自然の隠された法則を探し始め、
その歴史が変わろうとしていました。

彼は物凄い情熱をもっていました。
すべての自由になる時間を電気の研究に充てました。

そして目に見えない「力の世界」、
「エネルギーの世界」の扉を開け始めました。

ロイヤル・フィルハーモニック協会の創設者の1人、
ウィリアム・ダンスがファラデーに与えた
化学者ハンフリー・デービーの講演の入場券が、
彼の人生を変えていくことになります。

電気はその当時、脚光を浴び始めていました。

ちょうどその頃、バッテリー(電池)が発明されました。
電気を流すと、方位磁針の方向が変化することについて、
実験で当時から確かめられていましたが、

誰も一体どんな力が、電気の周りに働いているのか、
その不思議な力を説明できる人はいませんでした。

デービーの王立研究所での実験は、
ファラデーが初めて「電気」と「力」という
ふたつの異なった世界を見たときであり、
そして、この二つをまとめるきっかけとなりました。



ファラデーは信心深い人物で、所属していた教会の教えから、

「宇宙のすべては、神から創造されたもので、
 この中からほんの少しでも秘密を理解することができたら、
 すべてが深い相互関係の中にあることを知るようになる」

と考えていました。

PBS | Einstein's Big Idea | Michael Faraday - Part 1


それまで、一般に「力は直線方向に働くもの」と考えられていました。
しかしファラデーは、実験結果に即して考えた結果、
電気を流した電線に働く、未知の力は、
円形に筒のように働いているものと考えました。

ファラデーの電気と見えない場の力の関係の解明は、
その後の時代のエネルギーに関する包括的な理解へと導きました。

ファラデーは、後にアインシュタインがこれを評して、
「偉大なる革命」と呼ぶ大きな発見をスタートさせたのです。

PBS | Einstein's Big Idea | Michael Faraday - Part 2



トマス・ヤングの実験と「光の波動性」

2012-02-14 | 日記
ニュートンの『光学』に刺激を受けていたトマス・ヤングは、
有名なヤングの実験をします。

これは、「光の波動性」を証明したものです。

ニュートンは、本人の意図としては、
「光は、粒子性で成り立つ微粒子であり、同時に波の性質を持っている」
と、考えていた節がありますが、

世間的には、粒子説を唱えていたと扱われ、
ロバート・フッククリスティアーン・ホイヘンスから、
粒子説での矛盾を非常に攻撃されていました。

(しかしながら、これはニュートンの責任ではありません。
 実際、光には「粒子・波動の二面性」があったのですから…)

この辺りから、「光」並びに「物質」の
粒子説」と「波動説」の真偽の論議が、
行ったり来たりしていくことになります。

トマス・ヤングの「光の波動性」の証明の後、
同じくニュートンを研究していたアインシュタインが、
今度は「光量子説」を発表するのです。

これは、ニュートンが考えていた「微粒子説」に近いものです。

(または、ニュートンの「微粒子」=「量子」と言えるかもしれません)

ニュートンが「光の微粒子」の存在を考えていたのは、
人間の目の器官で「光」を受信する際に、
夜空の星のような、かすかな光でもすぐに見える現象が、
「波動説」だけで考えると、説明がつかないことに因ります。

 網膜 視細胞


光の粒子性(ウキペディア)
粒子(量子)としての光を光子(光量子)という。光子は電磁場の量子化によって現れる量子の1つで、電磁相互作用を媒介する。ニュートンの光の粒子説によって唱えられた。現在の光子の概念はアインシュタインによって提唱された。


ヤングの実験(ウキペディア)
ヤングの実験(ヤングのじっけん)は、複スリットを用いた、光の干渉性を示す実験。1805年ころトーマス・ヤングが、光源からの光を平行な2つのスリットを通すと衝立上に干渉じまを生じることを示した。 光が波動であることを示す現象である。

二つのスリットの光がスクリーンに投影されるとき、両方の光が当たる中央部分が明るくなるという左の図は直感的にわかりやすい。たとえば舞台に複数のスポットライトをあてるような場合には実際にこのようになる。しかし光の間隔が非常に小さい場合、スクリーンには図右下のように縞模様が映し出される。これは光が干渉という、波に特徴的な性質を持っているためである。


トマス・ヤング(ウキペディア)
トマス・ヤング(Thomas Young, 1773年6月13日 - 1829年5月10日)はイギリスの物理学者。1794年、王立協会のフェローに選出される。1801年に王立研究所(英語版)の自然学の教授になり、医学の面では乱視や色の知覚などの研究をした(ヤング=ヘルムホルツの三色説)。また視覚の研究から光学の研究にむかい、光の干渉現象を再発見して(ヤングの実験)光の波動説を主張した。弾性体力学の基本定数ヤング率に名前を残している。ほかにエネルギー (energy) という用語を最初に用い、その概念を導入した。


ヤングは、ニュートンと併せて、
今日の光と色彩の理論の基礎を作った人です。

ヤング=ヘルムホルツの三色説(ウキペディア)
ヤング=ヘルムホルツの三色説(ヤング=ヘルムホルツのさんしょくせつ、Young-Helmholtz theory)は、トマス・ヤングの説を、ドイツの生理学者ヘルマン・フォン・ヘルムホルツが発展させた色覚学説の一つをいう。色覚に赤、緑、青(あるいは紫)の3要素があり、これらが同じ割合で刺激されると白色を感じる。色別は3要素の刺激の比率に応じて生じる、というものである。その後、網膜の色覚受容器である錐状体に、赤、緑、青 (RGB) に最もよく反応する3種が区別された。これらの要素の1つないし2つを欠くと色盲となり、感度の鈍いものは色弱となる。大部分の色盲表やカラーフィルム、カラーテレビはこの説を応用している。


このヤングの実験は、後に
「電子」でも同じことが起こることが予想され、実験されました。
それが、二重スリット実験です。

(※「今の科学は、昔と比べて次第に 進歩していることは事実ですが」


Thomas Young's Double Slit Experiment



Young's Double Slide Experiment


ニュートンは、今日の「光の粒子・波動の二面性」を理解していた方でした

2012-02-13 | 日記
ニュートンは、光の粒子説を唱えたとされていますが、

光が「干渉」と「回折」をすること(=波の性質を示す)と、

太陽光が、プリズムで7色に分光できることから、
屈折で、スペクトルが生じる)
多くの種類の微粒子(粒子性)から成り立っているとすることを

(論争に巻き込まれましたが)すでに理解していました。

(つまり、ニュートンは、今日の光の粒子・波動の二面性
 最初から考えていた方であったということです)

Physics Tutorial: Waves in 2D Interference Part 1 High School College Help


波動(波の性質) 物理の部屋(高校物理講義ノートとつれづれの記)

Wave Motion Interference



干渉(ウキペディア)

波における干渉(かんしょう、interference)とは、複数の波の重ね合わせによって新しい波形ができることである。互いにコヒーレントな(相関性が高い)波のとき干渉が顕著に現れる。このような波は、同じ波源から出た波や、同じもしくは近い周波数を持つ波である。波の重ね合わせの原理とは、ある点に生じた波の振幅が、その点に影響するすべての波の振幅の和と一致することである。同じ点で波の山と山または谷と谷が干渉すると振幅の絶対値は大きくなり、山と谷が干渉すると振幅の絶対値は小さくなる。


回折(ウキペディア)

回折(かいせつ、Diffraction)とは媒質中を伝わる波(または波動)に対し障害物が存在する時、波がその障害物の背後など、つまり一見すると幾何学的には到達できない領域に回り込んで伝わっていく現象のことを言う。1665年にイタリアの数学者・物理学者であったフランチェスコ・マリア・グリマルディにより初めて報告された。 障害物に対して波長が大きいほど回折角(障害物の背後に回り込む角度)は大きい。回折は音波、水の波、電磁波(可視光やX線など)を含むあらゆる波について起こる。単色光を十分に狭いスリットに通しスクリーンに当てると回折によって光のあたる範囲が広がり、干渉によって縞模様ができる。


アイザック・ニュートン(ウキペディア)
イングランドの自然哲学者、数学者。神学者。ニュートン力学を確立し、古典力学や近代物理学の祖となった。古典力学は自然科学・工学・技術の分野の基礎となるものであり、近代科学文明の成立に影響を与えた。
ニュートンは、地球と天体の運動を初めて実験的に示し、太陽系の構造について言及した。また、ケプラーの惑星運動法則を力学的に解明した一人であり、天体の軌道が楕円、双曲線、放物線に分かれることを示した。また光の粒子説を唱え、白色光がプリズム混合色であるとして色とスペクトルの関係について唱えた。虹の色数を7色だとしたのも彼である。


ニュートン環(ウキペディア)
ニュートン環(ニュートンかん、Newton's rings)は接触させた2つの凸レンズもしくは凸レンズと透明な板に光を当てたときに観察される同心円状のリングである。ニュートン・リングともいう。これらが作る隙間の両面で反射される光波の干渉によって起こるとして説明できる。
ニュートン環は接触点を中心とした同心円状の多数のリングとして表れ、その幅は内側は広く外側ほど狭くなる。凸レンズは湾曲が少ない(曲率半径が大きい)ものの方がリングが大きくなり観察しやすい。反射光を観察した場合、中心は必ず暗い領域となる。太陽光のような白色光だとリングは虹のように色づいて見え、中心に近いところでは明るいリングの内側が青、外側が赤っぽくなる。ただしこの並びは周辺では不明瞭となる。光が単色光の場合にははっきりした明暗のリングが見え、波長の長い赤い光では大きく、短い青い光では小さくなる。(シャボン玉の虹色。ニュートンはこの虹色とニュートン環とが正確に同じ色の並びを持つことに気づき、その原因を考察した。)

■ニュートンの光と色の学説(科学と魔術の狭間にて)Ikuro's Home Page

アイザック・ニュートン (1642-1727)
光学:反射,屈折,光の伝播と色について(金沢工業大学ライブラリーセンター)



※トマス・ヤングは、ニュートンの著作を研究することで、
後に、ヤングの実験で、「光の干渉」を証明し、
光が、波の性質があるということを明らかにしました。


Newton's Rings (Amrita University)



The Beauty of Diagrams; Newton's Prism part 1/2 episode 3



アイザック・ニュートンの『光学』

2012-02-12 | 日記
ここで、「光」について考えてみます。
(それは、すべて現象の大元に「光」が関係しているからです。)

光は、人間が観測する際に必要なものでもあります。

しかしながら、「光」とは一体何なのか、

日常生活で何気なく目にしているものでありながら、
よく分からずに使っているものなのです。


ニュートンも、アインシュタインも、
そのあとに続く多くの量子力学の研究者も、
天文学者も、レーザーや放射能を調べる研究者も、
家電製品や医療機器や宇宙事業に携る人たちも、
色彩を調べる研究者(芸術家)も、

みな、「光」について研究を行っています。

物理学の発展の歴史を眺めると、
この「光」が、すべての現象(人間の意識の変容も含む)の
鍵を握っているのが分かります。

そして、今までの原子の話も、量子力学の話も、
「光」が関与しています。

(ここから、実際には
 量子力学の範疇に関する内容が始まっています)


何気なく、虹の現象を私たちは見ていますが、
どうやって虹色が見えているか、という説明は、かなり高度になります。

The Rainbow - The Colors Of The Rainbow



ニュートンは、『光学』という著作の中で、
太陽光線が、プリズムで七色に分光できること、
分光した七色をまたもとの白い光にできることを述べています。



newton's prism



原子の中に、もっと小さな、本当の最小構成単位があるのではないか?

2012-02-11 | 日記
メンデレーエフの周期表のお陰で、
その後、多くの原子の性質が解明されて、
物質の世界の構図がはっきり分かってきました。

現在では、100個以上の原子が発見されています。

しかしながら、ここで科学(物理・化学)者たちは考え込み始めました。

もともと、アトム(Atom:原子)というのは、
「これ以上分割できないもの、最小構成単位」ということで、
研究してきました。

しかし今や、その「最小構成単位」が100個以上あります。


こんなにたくさんの種類の究極の根本の元素があるのは、
おかしいのでないか?

いままで見てきた原子というのは、
もしかして最小構成単位ではないのではないか?

原子の中に、もっと小さな、本当の最小構成単位があるのではないか?


と、こう考えたのです。


そして、物質のほとんどが、
二つ以上の原子が互いにくっついて、さまざまな分子をつくっていて、

その原子の結合に、電子が関わっているということが、
次第に分かってきました。

分子(ウキペディア)
分子(ぶんし)とは、2つ以上の原子から構成される電荷的に中性な物質を指す。少なくとも1つ以上の振動エネルギー準位を持つぐらいに充分に深いエネルギーポテンシャル表面のくぼみを共有する原子の集まりを指す。ほとんどの原子は、同種あるいは異なる原子と化学結合により結びついて分子を形成する。
希ガスのように、単原子で安定な化学種を単原子分子と呼ぶことがある。それに対して、複数の原子から成る分子は多原子分子と呼ばれる。 英語の molecule という語は、ラテン語の「量」あるいは「塊」を意味する moles と縮小辞の cula に由来する。
化学結合に結び付けられた分子内の原子は内部エネルギーにより振動しているので、分子の構造は必ずしも静的ではない。分子内の化学結合の乖離や新しい結合の生成し構成する原子の組み換えが起こると分子の種類、すなわち物質の変化として認識される。分子から電子が付加あるいは脱離したイオンは分子イオンと呼ばれる。


Ionic and Molecular Compounds



The Element Song