面白いのかも物理学 ~身の周り~

By b_kimura,

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hakai

てなわけで、今日は物理の楽しさって何?てのを書いてみようと思います。
正直、行き当たりばったりで書いてるので自分でもどういう記事になるのかわかりません。
自分のプランとしては、昔は数学や物理なんて見るのも嫌!大嫌い!だった人が、「あれ?なんかすんごい面白そう!」って思えるような記事になればなって思ってます。

まず「物理」について誤解を解くことからはじめます。
高校中学で物理というと、力学は自由落下や斜方投射など、いわゆる物体の運動です。
ある力Fが、物体の質量Mに作用すると、加速度aを得る、を色々式でいじります。
この時点で、うわ!つまんねぇ!てなる人が大勢います。
自分も物理がこんなんばっかだったら絶対に楽しいとは思えません。
でも本当の物理ってのはもっと奥が深くて興味深くてあるときは、さむいぼがたつくらい感動したりもするのです。勿体無い!だからまずは最初の砦をぶち壊して見ましょう。

自分が初めて物理に興味を持ったのは小学五年生のときでした。
理科辞典なるえらく分厚い辞典が家にあったのでどんなもんか読んでると天体などの分野を書いてるところで遥か彼方の銀河の写真やブラックホールの記事を読んでて「宇宙って凄い!広い!なんだこれ!面白そう!んじゃ宇宙てどこまで続いてるんだろう?
この疑問が全ての始まりでした。(ちなみに宇宙の端についてはまた今度にします。)
そこから宇宙の構造に非常に興味を持つようになり宇宙の始まりって何だろう、ビックバンてどうやって起こったんだろう、などなどその答えが知りたくて知りたくてどうしようもなくなって本を読んでみる、に至りました。
しかし残念ながら、小学生には到底理解できる内容ではありませんでした。
これを理解するためには、もっともっと知るべき事があるんだと実感しました。
じゃぁいつかこの答えを理解できるようになるために頑張ろう!てなったわけです。

よく小さいときに、「何にでも疑問を持つことは大事だ」と大人から聞かされましたがその通りだと思います。

別に疑問を持つ事は何でもよいのです。身の回りの事なんでもよいです。
どうして、机は硬いの?こんな疑問でも実は物理は非常に深く関わってきます。
磁石のS同士は反発し合います。これが電子レベルにみても起こってます。
マイナス同士の電荷が反発することによって机を上から強く押せば押すほど強く反発します。
実は机(物)が硬い(潰れない)理由はこういうのに起因します。(かなり大雑把ですが)

もっと物理と親しくなるために目の前にPCか携帯があると思いますが、ちょっと分解してみますか。
どんどん叩いて壊していきます。粉々になりました。砂粒までにしてもまだまだ大きいです。
このときの大きさが0.2mm=0.002mまだまだ目で見える大きさです。
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もっと叩いていきましょう。今度は分子になりました。
このときの大きさが10億分の1m。0.000000001mです。もう電子顕微鏡でも精一杯です。
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もっと叩いていきましょう。今度は原子になりました。
このときの大きさが100億分の1m。0.0000000001mです。もう見えません。
もし自分が原子の大きさになったとすると1mは新幹線で約6年かかる距離になります。
だから原子にとって1mの移動は非常に大移動となるわけです。
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もっと叩いていきましょう。今度は原子核と電子(宇宙一小さい粒子)になりました。
このときの大きさが1000兆分の1m。0.000000000000001mです。はんぱないです。
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原子の大きさを大阪府とすると原子核はサッカーボール程度です。電子は米粒以下です。
実はこの例えで分かると思いますが原子内ってすんごいスカスカなんです。
自分が原子核だとすると府内には米一個と自分しか居ません。でも電気的な反発力で隣の京都府や兵庫県にはいけません。米粒の電子も近づけません。(波動力学、要勉強)
広いけど、米粒の電子がうろちょろしてるせいで実はあんま移動できない原子核君乙。

このスカスカ空間は人間の力では到底圧縮できません。はっきり言って論外です。
地球で一番強い圧縮機を使っても門前払いです。分子の配列すら変えられません。
もしそれが出来たら鉛筆の芯からダイヤモンドを作ることができます(両方炭素が主成分)が、しかしこのスカスカ空間を埋められる物があるのです。重力です。
ブラックホールになり得る位の巨大な重力で、この電子と原子核しか存在しないスカスカ空間を埋められます。原子核と電子が近づいてくるとどうなるでしょう。
原子核は中性子と陽子で出来ていて、中性子は電荷を持ちませんが、陽子はプラス電荷を持つため、電子(マイナスの電荷を持つ)が近づくと二つはくっついて中性子になります。
だから、原子核と電子はくっついて中性子だけになります。
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そうすると、さっきまで電子と原子核が距離を保ちながらうろうろしてた空間は中性子だけになり、隣接する府県の中性子も一緒にあつまります。さっきまでスカスカだった空間が
一転して中性子がひたすら敷き詰められた空間になってしまいます。これが中性子星です。
スプーン一杯で10億トンくらいの質量を持つくらい密度が濃くなってるんです。
地球の全ての陽子と電子をくっつけて中性子にすると、僅か1cm程度まで収縮します。
地球って、いや全ての物質は実は様々な反発力によって非常にスカスカだったんです。

そう考えてみると目の前にあるPCや携帯もすんごいスカスカだと分かります。
でもそう感じないのはスカスカじゃない手で触ってるからってだけです。

だけど人間はその世界一小さい粒子の運動を記述し制御するに至りました。その成果が目の周りにある電化製品そのものです。電子の動きを支配することにより半導体技術が進歩してコンピュータを作り我々の生活を支えているわけです。
なので、こんな小さい粒子とかどうでもええやん、なんて言うのはもはやナンセンスです。

高校の力学の物体の運動は確かにつまらなかったかもしれないけど、実はその延長にはマクロな宇宙があり、はたまたミクロの世界を扱う量子力学があります。
本当は先には楽しいトピックスがたくさんあるのに、扉を開ける時点でつまんないって自分から近づかないようになってしまうのは、本当は凄く勿体無いんです。

確かに数学の勉強はつまらなかったし、苦手な人からしたら難しかったかもしれません。
こんな事言うと数学屋さんに怒られるかもしれませんが数学ってのは物理の道具に過ぎません。
微分積分ってなんだよ。体積求めてどうすんだよ。実は体積を求める行為自体に意味はないです。
あれは、自然科学を勉強していて積分する必要がでたときにスムーズに演算できるように訓練するだけなんです。だから、こんなの解いてどうすんだよ・・・てみんな思うんです。
もしこれが、「ロケットを飛ばしたい。太陽系惑星の軌道半径と公転速度からロケットが惑星を使ってスイングバイするために必要な最小な燃料量と発射日時は?」となると意味のある計算になります。このグラフと軸とで囲まれた面積を求めよ、なんていう意味のないつまらない計算はハッキリ言って時間の無駄です。(計算出来る人からしたら)
だから、高校時代にもう数学なんてやりたくない!て思ってしまった人は、一番つまらない部分だけをさせられて、これから広がる世界を体験できなかったという実に勿体無いことをしてたんです。

しかし実は時既に遅しなんてことはないんです。
物理なんて楽しくないって人は、このつまらない数学とつまらない物理のまま思考がストップしてるので、ちょっと近づいてみると楽しいはずなのに最初から拒否してるだけなんです。中には理解するには高度な数学を必要とする場合もありますが、世に出回っている本には腐る程、数学や物理の門外漢でも楽しめる本はいくらでもあります。
「ホーキング宇宙を語る」などは世界的ベストセラーになりましたが、この著者は素粒子理論において世界一の頭脳を持ってます。
その人が、初学者にも理解できて且つ宇宙の神秘について語っている本です。
宇宙?あぁ物理か。無理無理。このような考えだけはなるだけしないようにしましょう。

中には本当に興味無い人もいるでしょう。自分も面白いのかもしれないけど、全く興味の無い分野は山ほどあります。でもそれは自分でも損をしてるという自覚はあります。
何でそんな思考になるかと言うと中学高校時代のイメージが強すぎて面白くなる前に勉強しなくなったからでしょう。
何かの機会さえあればこういう思考はすぐに吹き飛びます。そのきっかけになれれば幸いだな、と思いながらあんまりまとまってないけど、この辺にしときます。