絶対零度とは?~なぜマイナス273度以下はないのか~

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私たちの生活の中で、「絶対零度」という単語を一度は耳にした事があるかと思います。

この世の中の科学の世界では絶対零度という温度があり、それが宇宙でもっとも低い温度であるとされています。

その絶対零度はマイナス273度です。

ではなぜマイナス273度なのでしょうか。



絶対零度がマイナス273度の理由

1787年にジャック・シャルルが発見、1802年にジョセフ・ルイ・ゲイ=リュサックによって初めて発表された「シャルルの法則」から推測し考えだされた温度は「絶対零度」と名付けられました。

考えだしたのは、イギリスの科学者のケルビンです。

シャルルの法則とは、一定の圧力の下で、気体の体積の温度変化に対する依存性を示した法則。

詳しく説明すると、「温度が1度上下するにつき、気体の体積は0度のときよりも273分の1減少する」というものです。

このことを元に、ケルビンは「マイナス273度になれば、体積はゼロになるためそれ以上は温度が下がることはない」と主張しました。

現在の物理学では、光(電磁波など)のようにこの世に存在しているものは、何らかの振動、もしくは振動と同じものに置き換えられるものと考えられています。

絶対零度になれば、振動もゼロになると思われがちなのですが、ミクロの世界になるとそういうわけにはいかないのが不思議なところなのです。

不確定原理に依れば、絶対零度でも原子は「零点振動」と呼ばれる振動をしています。

そういった意味では、絶対零度はあくまでエネルギーが最低の状態であり、「静止している」という意味とは異なるということになります。

ちなみに、絶対零度を表示する単位は、ケルビンの頭文字を当ててKと表示します。

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【月と地球の関係】地球の1日の長さはどんどん遅くなっている ~月が地球に及ぼす影響~

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私たちが住んでいる地球では、1日を24時間と定められています。

しかしながら、地球の1日の長さはすこしずつ長くなっているのです。

約46億年前に誕生したばかりの地球では、一日の長さは5~6時間しかなかったと言います。

一日の長さとは、地球が自転を1回するのに要する時間の事です。

地球の自転は長い年月をかけて少しずつ遅くなっているのです。

ではなぜ、地球の自転は遅くなるのでしょうか。



海水が地球にブレーキをかけている

地球の自転が遅くなる原因は月にあります。

地球のたった一つの衛星である月による「潮汐力」と、その潮汐力によって発生する「潮汐摩擦」がブレーキとなり、地球の自転を遅くしているのです。

潮汐力とは、重力の影響で物体が体積を変化させずに変形する現象の事であり、海の潮の満ち引きはその代表例となります。

月の重力によって引き起こされる潮汐力の強さは、地球の重力に比べると1000万分の一と小さいが、地球の表面を覆う海水にとっては影響される大きさの力となります。

月が真上に来た時、海水は月の潮汐力によって引き寄せられ、「満ち潮」となります。

そこから前後90度にあたる場所では、海水は月の方へ引き寄せられている為、「引き潮」となります。

海水は引き寄せられながらもその場にとどまろうとしますが、海底や海岸などの固体部分は回転(自転)を続けようとします。

このとき、液体部分(海水)と固体部分(海底や海岸)の間で摩擦が発生し、その摩擦がブレーキのように作用して地球の自転速度を遅らせてしまうわけです。

一日の時間のずれを「うるう秒」で調整する

「うるう秒」とは、地球の一日の長さを一定にする為に定期的に追加する時間(秒単位)の事です。

「うるう秒」の調整は、地球の回転の観測を行う国際機関である「国際地球回転・基準系事業」が決定しており、これを受けて世界で一斉に「うるう秒」の調整が行われています。

前回のうるう秒の調整は、平成27年7月1日に行われました。
午前8時59分59秒と午前9時00分00秒の間に「8時59分60秒」を挿入され、時間の調整がなされました。

このうるう秒の調整は、昭和47年7月1日から開始され、平成27年7月1日の調整で26回目の調整となります。

現代社会では、特に時間の精密さが問われます。

うるう秒の調整は、地球に生きる私たちにとって重要なのです。

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【宇宙人は本当にいるのか】宇宙に存在する地球外文明の方程式

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地球には私たち人類の文明が存在します。

では、地球以外で生命が誕生し進化して文明を築いている天体は、この宇宙の中でどのくらいあるのでしょうか。

ここでは、宇宙の地球外文明の数を予測する方程式をお伝えします。



宇宙の限りない数の惑星

宇宙には数千億の銀河が存在し、ひとつひとつの銀河は数千億個の恒星を含んでいます。

そしておそらくそれらの天体の半分以上が、私たちの太陽系のようにいくつもの惑星を持っています。

これらの数字をもとに計算すると、宇宙に存在する惑星は何百兆個あるいは何千兆個にもなります。

にもかかわらず、地球外生命や文明が存在する惑星が地球ひとつだけと考えるのは、不合理であると考えられます。

宇宙には、地球外生命の存在する天体もまた膨大な数あり、その中には生命が進化して技術文明を発達させている惑星もたくさん存在すると考えるのが自然であると言えます。

しかし、これまでに様々な「地球外文明探査計画」が行われたものの、地球外生命や地球外文明の存在が確認されたことは一度もありません。

ドレーク方程式で数える宇宙文明

天文学者のフランク・ドレークは、1961年に、私たちの銀河系のみを対象に、電波で交信できるほどの技術文明を発達させている知的生命の数を計算する方程式を発表しました。

この方程式は「ドレーク方程式」と呼ばれました。

この方程式が、電波交信技術を文明の基準としている理由は、この技術がなければ、他の惑星の技術文明とメッセージをやり取りしたり自らの存在を他の惑星の技術文明に知らしめることが出来ないからです。

たとえ生命が存在しても、それが今の地球の微生物や魚類ほどの進化段階ならば、遠方の生命体との交信は不可能です。

地球と交信できるような宇宙文明の数(N)を推算するために、次のような積で表現されています。

N=R*×fp×ne×fl×fi×fc×L

R*:銀河系の中で1年間に誕生する星の数

fp:誕生した星が惑星をもつ確率

ne:生命が生存できる環境を備えた惑星の数

fl:生存に適した惑星上で生命が発生する確率

fi:発生した生命が知性をもつ確率

fc:進化した生命が高度な技術文明を発達させる確率

L:技術文明が実際に通信を送ることが可能な年数

最初の3項は天体物理学的要因を、次の2項は生物学的な要因を、最後の2項は社会、文化的な要因を表しています。

実際にどのような数値を当てはめ得るかは議論の乱れるところであります。

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【未来は決まっている?】ハイゼンベルクの不確定性原理とは ~素粒子の不思議~

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私たちは現在を生きていますが、未来は決まっていると思いますか?

この宇宙は、過去も未来も既に決まっていて、その中をゲームの中のプレイヤーのように動かされ生きている…という説もあります。

ここでは、未来を決して予測できないという説を持つハイゼンベルクの「不確定性原理」についてお伝えします。



ハイゼンベルクの思考実験

この世に存在するすべての物質にある原子の中心には極めて小さな原子核があり、その周りを1個もしくはそれ以上の電子がとてつもない速さで回っています。

構造が最も単純な水素原子の場合、電子の速度は秒速2000㎞です。

このように飛び続ける電子は、どれほど精密な観測機器を使ってもその位置と運動量を同時に観測する事は出来ません。

その事を確かめる為に、ドイツの物理学者のヴェルナー・ハイゼンベルクは1920年代に思考実験を行いました。

観察者が光学顕微鏡で電子を観察しようとするとき、光子が電子に衝突して跳ね返り、顕微鏡の鏡胴を通って観察者の目に届く事で、その位置や運動量を測定出来ます。

電子にぶつかる光の波長が短ければ短いほど、電子の位置は正確に測定出来ますが、波長の短い光はエネルギーが高い為、その光が電子に当たると電子は跳ね飛んでしまい、その運動量を測定する事が出来なくなるのです。

逆に波長の長い光を当てると、エネルギーが低い為、電子は跳ね飛ばす運動量は測定出来ますが、その位置の精密度は落ちます。

このように、粒子の位置と運動量を同時に求める事は原理的に不可能だとする見解は「不確定性原理」と呼ばれています。

粒子は波でもある

粒子の位置と運動量は同時に観測出来ないだけではありません。

粒子は波でもある為、そもそも「ある位置のある運動量」という状態が存在しないのです。

これはまた、原子の中を飛び回っている電子には定まった軌道が存在しない事でもあります。

というのも、電子の軌道を描くには、位置と運動量の両方が同時に必要になるからです。

現在が不確定なので未来も必然的に不確定となる

量子力学以前の古典力学は、現在を知ればそこから未来を予測できるとしていました。

しかし、ハイゼンベルクは「そもそも『現在』を知る事が原理的に出来ないのであるなら、どうやったところで未来は必然的に予測不可能」なのであると言葉を残したといいます。

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【宇宙は物理の法則で成り立つ】ニュートン力学とは ~宇宙と力の理論~

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私たちが住んでいる世界での力による運動は、全て物理の法則に基づいています。

それを発見し発表したのが、有名なアイザック・ニュートンであり、「ニュートン力学」と呼ばれています。

ここでは、ニュートン力学における3つの法則をお伝えします。



ニュートン力学 第1の法則「慣性の法則」

物体は外部から力を加えない限り、静止し続けるか、または、運動し続ける。

例えば、電車やバスに乗っている時にそれらが急停止すると、前につんのめります。

電車やバスに乗っている乗客たちは、進行方向に進む力が加わっている為、急に止まろうとしても慣性の法則により進行方向に進もうとする力があり続ける為、前につんのめるという状態になってしまうのです。

また、アイススケートをする人は、後ろから押されるとそのまま前に滑り、理論上は放っておくとリンクの端まで滑ります。

ただし、実際はスケートシューズとリンクに張ってある氷との摩擦や空気抵抗がある為、慣性の法則通りには滑り続ける事は不可能となります。

ニュートン力学 第2の法則「運動の法則」

物体は力を受けた方向に動く。その時の加速度の大きさは力に比例し物体の質量に反比例する。

野球のボールを投げる時と、砲丸投げで使うような重たい砲丸を投げる時のイメージをすると、同じ人が同じ力で投げると仮定するならば、野球のボールの方がはるかに遠くに飛ばす事が出来るのを想像出来ます。

ただし、摩擦や空気抵抗が関係してきますので、単純な計算では実際の数値と異なります。

この第2の法則では、加速度が一定なら物体の速度や移動した距離は時間に比例する事が示されています。

しかしながら、アインシュタインの相対性理論では時間は絶対的ではないと提唱している為、光速に近いスピードでの計算は当てはまりません。

私たちが日常生活で経験しているような(光速に近くない速さでの日常的な運動)事項ならば当てはまるという事になります。

ニュートン力学 第3の法則「作用・反作用の法則」

物体Aが物体Bから力を受ける時は、同時にBもAから同じ力を受ける

物体Aと物体Bの力はの方向は逆向きになりますが、大きさは同じになります。

例えば、野球のボールを壁に投げて跳ね返る時に、ボールが当たった壁はボールと同じ力を受けますが、野球のボールも壁と同じ力を受けて跳ね返ります。

この時、力を受けた壁が「作用」、跳ね返るときのボールが「反作用」となります。

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【分かりやすく説明】ニュートンの万有引力とは ~質量を持つもの同士が引き合う力~

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ボールを空中へ投げた時、ボールに力が伝わるが、いつまでも空中を飛び続けず、引力に引っ張られて次第に地上に落下します。




こでは、なぜそのような運動をするのか、アイザック・ニュートンの万有引力についてお伝えします。

落下するボールの動きについて

ニュートンは、質量を持つ物体は、他の質量を持つ物体との間で「引き合う力(引力)」を及ぼしあう事を仮定しました。

そして、質量が大きい物体ほどその引力も大きい事も主張しました。

この仮定した引力の性質を、空中に投げたボールに当てはめるとどうなるでしょうか。

空に向かって投げられたボールには、地球の重力が引力として働いていますので、ボールは常に下向きに引っ張られ、結果的にボールの上向きの速度は次第に遅くなり、ついには地上に落下します。

この時、ボール自身も小さな質量を持っていますので、その力は地球を自分(ボール)に引き寄せようとします。

ボールの質量よりも地球の質量の方がはるかに大きい為、地球がボールに引き寄せられる力はあまりに小さすぎて、ほぼ感じ取れません。

このように、あらゆる物体にはその質量に比例した引力を持っています。

この力を「万有引力」といいます。

太陽を公転する惑星の運動も説明できる

ニュートンの万有引力の法則から、ヨハネス・ケプラーが説明出来なかった「なぜ、惑星は太陽の周りを楕円軌道で回るのか」という事が説明出来ます。

太陽と惑星の両者に働く引力の大きさは、ケプラーの法則から、両者の距離の2条に反比例し、太陽と惑星の質量の積に比例します。

そして、この関係は天体にとどまらず、あらゆる物体同士の間に当てはまります。

ちなみに、太陽も惑星に同じ大きさの力で引っ張られているのに、太陽はほぼ動かず惑星だけが動くのはなぜなのでしょうか。

それは、太陽の質量が惑星に比べてとても大きい為です。

運動の法則によると、物体に生じる加速度は質量に反比例する為、惑星と太陽が同じ大きさの力を受けている場合、太陽に生じる加速度はとても小さいものになります。

その為、太陽はほぼ動かず、惑星だけが振り回され動いているのです。

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【なぜ太陽の周りを回る?】太陽系の惑星 ~ケプラーの法則~

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昔の人々は、地球は宇宙の中心にあり太陽が地球の周りを回っていると信じていました。

16世紀にニコラウス・コペルニクスが地球が太陽の周りを回っているという地動説を唱えましたが、暫くの間は天動説が信じられる傾向にありました。

なぜなら、コペルニクスの地動説は、惑星の軌道を円で考えていたため、計算で惑星の位置を予測する事が出来なかった為です。

その疑問を解決へ導いたのは、ヨハネス・ケプラーでした。

ここでは、地動説を定着させた「ケプラーの法則」はどのような法則なのか、お伝えします。



ケプラーの3法則

ケプラーの研究方法は、まず火星のデータを用いて、地球や火星が太陽の周りをどのように回っているのかを計算しました。

当初はコペルニクスと同様で、惑星の軌道を等速円運動していると仮定して計算していましたが、どうしても観測データを計算結果がずれてしまいます。

数年かけて得られた結果からわずかなずれを見逃す事なく、この考え方ではダメだと感じ、そもそもの考え方を変え、彼は等速円運動という考えを捨てたのです。

数年間に及ぶ計算の末、ケプラーはついに「惑星はだ円軌道を回っている」という結論にたどり着きました。

以後、ケプラーが得た結論を3つの法則にまとめ、1619年に「ケプラーの法則」として世の中に発表されました。

第1の法則「楕円運動の法則」

だ円には二つの「焦点」があります。(※「焦点」:「二つの点からの距離の和が等しい点」で図形を描くとだ円になります。その二つの点を焦点と呼びます。)

その片方に太陽が位置しており、もう一方の焦点には何もありません。

ですので、必然的に惑星は太陽に近づいたり遠ざかったりするわけなのです。

第2の法則「面積速度一定の法則」

簡単に言えば、惑星は太陽に近い時には速く動き、太陽から遠くでは遅く動くという事です。

例えば、下図のように「ア」と「イ」の面積が等しくなる為には、天体は、図の太陽に近い左側にいるときが速く、右側にいるときが遅くならねばならないのです。

第3の法則「調和の法則」

惑星の公転周期の2乗とだ円の長軸の3乗の比率はどの惑星でも同じ値をとるという事です。

つまり、公転周期が長い惑星は、太陽から遠い軌道を回っているという事です。

ケプラーの法則がなぜ成り立つのか

上記のケプラーの法則は、大量のデータによって説明される「経験による法則」であって、なぜそのような法則が成り立つのか、という事までは示されていません。

しかしながら、それまでの天動説や、コペルニクスによる地動説に比べてより正確に惑星の運動を示す事が出来た為、当時の人々に与えた衝撃は大きかったといいます。

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