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始めの光?

ミクロの世界では、 「不確定性原理」という言葉があります。  
不確定性原理は、独ではUnschärferelation、英語ではUncertainty principleと呼ばれます。
訳すと、「確信をもてない原理」とか、「確実なことが言えない原理」となります。
何に確信をもてないかと言うと、観測結果に確信をもてない、といいます。

具体的に言うと、ある2つの物理量を同時に測定しようとすると、測定値にばらつきがでないように2つの物理量を測定することはできない、という理論のことです。

物理量(physical quantity)とは、質量、長さ、体積、圧力、時間のように、物体や物質などの測定対象に固有な、客観的に測定できる量、およびその量を用いて算出できる量のことです。
科学者は、物質に場やエネルギーも含めます。
よく知られてる場には、電波をつくっている電場と磁場などがあります。

要はミクロな領域では、粒子の位置と運動量は正確には決められないというものです。
マクロ、つまり私らの暮らしている領域では、そんなことありえないってことが、ミクロ、つまり素粒子の領域じゃ常識らしいって訳です。
素粒子は、物質を構成している最小の要素です。
大雑把に説明すると、レンジなどでおなじみな電子や、電子が周りを回ってる原子核、光を伝える光子など、これらの仲間をまとめて素粒子と言います。

原子より小さな領域であるミクロの世界では、位置と運動量は正確には決められないと言っているってことです。

この不確定性原理を表す式には、プランク定数というものが登場します。

プランク定数(Planck's constant)は、量子力学の基礎となる単位を示す物理定数です。
しばしば h (エイチ)と記されます。
プランクの名は、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ました。
量子力学とは、素粒子の領域を扱う力学と思えば良いです。

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 に等しいと言う式で表されます。

 E=hν
算数だと掛けるだの割るだのを表す記号を書くけど、科学はこう書きたがります。
 
言い換えれば、これもありってことです。

 h=E/ν
 要するに、これと同じです。
 h=E÷ν
科学の式じゃ、割り算は分数で表すのがお好きらしいです。

光子のエネルギーを振動数で割ると、プランク定数と言う一定の数が得られると言っている訳です。

実際は、プランク定数を円周率πの二倍で割った数を使うことが多いです。
円周率は、円の周の長さと直径の比のことです。
円の周の長さを、直径で割って求められます。
プランク定数を円周率πの二倍で割った数は、小文字のhに横棒一本引いて表され“ℏ”発音は(エイチバー)と読みます。

どうもプランク定数は、波動と関連が強いようですね。

じゃ、位置や運動量どちらか一方だけなら、ちゃんとわかるのでしょうか。

それならできる、らしいです。
実は、素粒子と言われる代物には波動が付き物だと言います。

さらに、厄介なことに絶対零度でも、この振動は止まることはないのですよ。
絶対零度(Absolute zero)とは、0 K(ケルビン)と表される物質における温度の下限です。
摂氏で表せば-273.15℃です。
華氏だとー459.67Fになります。

温度に下限があるのは、物質の熱振動をもとにして規定されているからです。
それは、原子の振動である熱振動が最も小さくなり、エネルギーが最低になった状態です。
下限温度がこの時に決まり、これ以上下がらないことから絶対零度と呼ばれます。

絶対零度でもとまらない振動を、零点振動(Zero-point motion)と言います。
零点振動は、ゼロ点振動とも言い、絶対零度においても原子が不確定性原理のために静止せずに振動していること。
ヘリウムが絶対零度近傍でも固化しないのは、この零点振動が原因です。
圧力を加えると固化しますけど。
固体では、格子振動が起こっているのです。

格子振動(こうししんどう, Lattice vibration)は、結晶中の原子の振動のことです。
結晶の中で、原子がまるで格子のように配列しているところから、結晶中の原子も格子と呼ばれます。

振動の駆動力は熱だけれど、絶対零度でも、不確定性原理から原子は振動していて、これを零点振動といいます。

格子振動は、熱伝導の原因の一つであり、比熱とも関係が深いです。
また格子振動によって電子が散乱されます。

格子振動は、従来型の超伝導と深く関わっています。

量子化された格子振動が、フォノンです。
フォノン(phonon)は、音子とか、音響量子、あるいは音量子とも訳されます。
量子化とは、飛び飛びの数値しか取れないと言うこと。
ある一定の単位より下の数値は取れない、それが量子化と思えばいいでしょう。

振動という意味では、単独の原子や、分子、分子の塊であるクラスター、表面などでの各原子も振動していて、これらを量子化したものもフォノンです。

ちなみに、光子はフォトン(Photon)と言います。
光のエネルギーは飛び飛びの数値しかとれないことがわかったのが、量子という考えが生まれたそもそものきっかけだったのです。

絶対零度でさえ、止まらない振動があるとなると、気になる現象があります。

すべての現象に必ずあると言われる、1/fゆらぎのことです。

1/fゆらぎとは、ピンクノイズとも呼ばれ、あらゆる物理現象、生物現象、経済現象に現れます。
具体的には、人の心拍の間隔や、ろうそくの炎の揺れ方、電車の揺れ、小川のせせらぐ音、アルファ波、目の動き方、木漏れ日、物性的には金属の抵抗、ネットワーク情報流、蛍の光り方などですね。
ピンクノイズとは、パワーが周波数に反比例する雑音のことです。
同じ周波数成分を持つ光が、ピンク色に見えることからピンクノイズと呼ばれます。

ここで言うパワーとは、誤解を恐れずに単純に言うと、現象の起こりやすさ、変動の起こりやすさを表す関数です。
たとえば株価や為替の変動、ブラウン運動などの粒子のランダムな運動などにみられる変化を記述する場合、使われます。
光を周波数別に分けるときにお馴染みの、スペクトルになぞらえてスペクトル密度とも呼ばれます。

またしても、素粒子に周波数、つまり波動が現れました。
しかも、光で知られるスペクトルなんて言葉まで登場しましたね。

振動があれば、エネルギーが発生する。
赤外線で見ると振動が激しい、言い換えるとエネルギーの発生が激しいところははっきり明るく映ります。

つまり、目には見えないようでも光っているわけですね。
実は電子や原子核を作っている素粒子には、仮想光子という光が常にまとわりついているそうです。

となると、素粒子は常に振動し続け、光り続けているために、最低の温度であっても振動を止めることはないわけなのでしょうか。

これが、森羅万象にみられる1/fゆらぎを生み、粒子の位置と運動量は正確には決められないという不確定性を生んでいたって事なのかです。

そういえば、聖書には「光あれ、すると光があった」で始める創世記があります。

聖書の記述を残した人たちは、万物に常に光があったことを知っていたでしょうか。

今回は大胆に、科学の謎に空想で切り込んでみました。

真相は、どうなのでしょうか。。。。

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コメント

今は最小の素粒子としてクオークとレプトンが発見されていますが、更なる究極の素粒子があるのかなぁ。

投稿: コテツ | 2008年6月 3日 (火) 18時59分

ないと言い切れないあたりが、面白いですね。

投稿: cova | 2008年6月 4日 (水) 05時32分

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