茜ちゃんとサワラちゃんの宇宙・素粒子物理学入門

中学・高校生・叔父さん・叔母さんのための宇宙・素粒子物理を一緒に勉強していきましょう。


 

                      


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Akaneちゃん宇宙・素粒子物理学

叔父さん、叔母さんの「宇宙・素粒子物理学入門」 雪の結晶

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暫くの間、貝の整理のためお休みしておりました。 本日より更改いたしました。休止期間中に<琉球イノシシ>の被害にあり、かなり時間を取られてしまいました。

NASA

 

NASA のスピッツァー宇宙望遠鏡からの赤外線画像に見ることができます。W5 と呼ばれるこのかすかな星を形成する地域で、白く見えるガス星雲の先端に白く光った恒星の誕生の様子が見られます。

背景の青白い星はこの星雲の遥か向こうに存在する、比較的新しい恒星です。赤い星雲は酸素のガスでしょうか?? 星雲の規模は不明ですが、差し渡し数十光年も有るのでしょうか。 超新星爆発で吹き飛んだ物質が、長期間かかって集積し、ガスの密度が高まったのでしょう。宇宙は常に新陳代謝が行われているようです。

  

 

古典物理学の最後の輝き・・物理学史

 

「ノーベル賞を逃した人たち」 

             ポアンカレ(Jules-Hennri Poincaré)-01

以下は「現代物理学」・池内 了 の抄訳です。 
 
 先回はお休みしましたが、今回はポアンカレを、読んでみましょう。池内教授はこの著書の中で、古典物理学の最後の段階に現れた、ノーベル賞級の3人の科学者を紹介しております。 
数学に興味のある方でしたら、誰でも知っているフランスの科学者。
1854~1912年。
 

                                    ポアンカレ

 従兄弟にフランスの首相に3度も選出された、レイモンド・ポアンカレがいる。彼は物理学分野よりも数学分野で数多くの業績を残している。関数論・数論・代数学・微分積分方程式・位相幾何学など。

特に近年は彼の「ポアンカレ予想」の証明で、話題をさらったロシアの数学者・グレゴリー ベレルマンは特に有名。殆どの学者がここ100年来位相幾何学のトポロジーを使ってこのポアンカレ予想を解こうとしたが、失敗してきた。それに対してベレルマンは微分幾何学と物理学の手法を使って解いたとされている。

WIKIによれば・・・・<解の説明を求められてベレルマンの解説を聞いた数学者たちは、「まず、ポアンカレ予想を解かれたことに対して落胆し、それがトポロジーでなく微分幾何学を使って解かれたことに落胆し、そして、その解説がまったく理解できないことに落胆した」>とされている。

                ベレルマン

 

 筆者は高等数学は門外漢なので、トポロジーと微分幾何学の違いぐらいしか理解できないので、これ以上の記述は無理です。余談ですが、日本は世界的に位相幾何学のトポロジー多様体の分野ではトップレベルの業績をあげており、フィ-ルズ賞は殆どこの分野で受賞しております。

肝心のベレルマンはその後<フィールズ賞>を受賞することになったが、結局辞退し、クレイ数学研究所から送られた100万ドルも、もらうことなく宙に浮いてるとか。普通人にはまったく理解不能???

次回はもう少しポアンカレについて、書いてみたいと思います。

 

特集・007    宇宙文明について(ミチオ・カク・・超空間  

 

        文明の誕生と滅亡

           ネメシス

先回、「宇宙のニアミス」について書きましたが、2/15にロシアの大地に隕石が落下し、500人程の負傷者が出たと報道されておりました。現実問題としてこのようなことが起こりえるのです。もしこの隕石が口径数kmもあれば、このような程度では済むますまい。核爆弾以上の破壊力に相当するでしょう。

           ウラル地方チェリャビンスク(隕石の煙)

          

隕石でなく小惑星との激突ということになれば、地球が破壊されます。天体望遠鏡で確認できない程度の小惑星が、人工衛星の高度以下で地球とニアミスを起していますので、油断はなりません。

 では、表題の<ネメシス>とは何でしょうか。ネメシス(Nemesis)とは、オルとー雲以遠の、太陽から5万から10万天文単位軌道を回っているとされる仮説上の赤色矮星または褐色矮星のことで、太陽には伴星が存在するとされております。

この伴星が2600万年の周期で太陽に接近するとき、太陽の外周のオルトー雲上の彗星が雪崩を打って太陽に向かって接近をし始め、この内の幾つかが地球に激突するとされております。

             ウラル地方チェリャビンスク  

 

地球上の動植物の大量絶滅はおよそ2600万年の周期を持っているとされており、その年代の地層からは地球上に余りないイリジュウムが多量に発見されるということです。相関関係があるということです。今回のロシアの事件もこれと同じような隕石落下ですね。

次回は「太陽の死・銀河の死」について書いてみましょう。


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 お知らせ 

貝の蒐集整理のため、次回は2/16と致します!」

 

         火星のマクロリン・クレーター

 

先々回火星の隕石に含まれる水の存在を話題にしましたが、NASAの1月20日の発表で、マーズ・リコネイサンス・オービター(MRO)が撮影したクレーターのイメージの中に、過去に湖が存在した痕跡の発見を発表しました。


マクローリン・クレーターの底にある岩の層は、水との関連を持つ鉱物の分光学的な証拠を含む堆積岩を見せているとのことで、1.4マイル(2.2キロメートル)の深さを持つクレーターが、その昔地下水による湖であったことを物語っているとしています。

 

 

このような発見が以前から言われていた、火星の表面が地球のように太古には海や湖、河川が存在していたということの、実証がますます確かになったようです。なぜ、水が宇宙空間に飛散してしまったのか、また地中深くには地球のツンドラのような形で、水が氷として存在しているのかが、いずれ解明されるでしょう。

水が存在していたならば、地球に最も近距離の惑星ですから、地球に類似した生命体が生息していた可能性もありますので、大変興味深いですね。

 

古典物理学の最後の輝き・・物理学史

「ノーベル賞を逃した人たち」

 

以下は「現代物理学」・池内 了 の抄訳です。
 
 先回はお休みしましたが、今回は<ノーベル賞を逃した人たち>を、読んでみましょう。池内教授はこの著書の中で、古典物理学の最後の段階に現れた、ノーベル賞級の3人の科学者を紹介しております。
 
A-ケルビン卿(William Thomson)、B-ポアンカレ(Jules-Hennri Poincaré)、C-メンデレーエフ(Domitrij Ivanovich Mendelejev)
 
物理や生物の授業には、中学のころからお馴染の面々です。にも拘らずノーベル賞は受賞しておりません。驚きです。
 
では、今回はケルビン卿(William Thomson) 
 

                         ケルビン卿

 

 William Thomsonと聞くと、先回ご紹介した、同じ英国の物理学者J・J・トムソンを連想しますが、偶然にも同時代の英国に居た大科学者でした。「ケルビン」と聞くと、すぐ連想されるのは K=-273.16℃ 

T=t+273.16・・・T=絶対温度 t=セ氏温度

絶対温度として現代物理学の基本単位となっています。全ての分子の運動が停止する絶対零度を 0 ケルビン(K)とするとなっております。よって、これ以下の温度は存在出来ません。

シャルルの法則>は皆さんもご存知のとおり。

すべての気体の体積はは一定圧力下では絶対温度にに比例し,温度が1℃上がるごとに0℃の時の体積の約1/273ずつ増加するという法則。1787年J.シャルルが発見。1801年ゲイ・リュサックが同じ発見をしたためゲイ・リュサックの法則・・・逆に考えていけば-273.16℃=0K で限りなく、体積は零の近くなりますね。それで絶対零度=K=-273.16℃

 ケルビン卿の仕事は熱力学に関連したことで、熱力学を完成しました。熱力学には 第零法則、第一法則、第二法則、第三法則 が、ケルビンはほぼ全てに関わっておりました。特に熱力学第二法則(トムソンの原理)はエントロピーという概念に連なっていきます。

この他にA-<トムソン効果>、<ケルビンの渦定理>、<ケルビン=ヘルムホルツ不安定>などのケルビンの名を冠した用語があります。

余談

これだけの輝かしい成果を上げる一方で、ダーウィンの進化論を否定し、神による生物想像説を主張しました。地球の年齢は短いと論じ、2000万年を主張するまでとなりました。これは地球には放射性元素が多く含まれ、その崩壊熱で地球が暖められていることを、知らなかったという事から来たようです。

ドイツには「カルルスバート」という有名な温泉地があるのですが、その事を彼は知らなかったのか?・・・地熱から疑問が沸くはずでしょうが?

 

特集・006    宇宙文明について(ミチオ・カク・・超空間 

 

 

        文明の誕生と滅亡

<宇宙のニアミス>

 

先回は「新氷河期」について書いてみました。今回は先回と違って、いつ突然起こるか予想が難しいとされている<宇宙のニアミス>について、書いてみましょう。

A- 彗星と小惑星

最近話題になった<ペルセウス座流星群>については、耳新しいこととして覚えておられる方も多く居ると思います。 彗星はほぼ一定した超楕円軌道を描いて、太陽の周りを公転しております。彗星から飛び出した破片が、公転軌道に撒き散らされ、地球が公転軌道を横切るとき、破片が地球に落下し、毎年恒例の天体ショーが見られるという訳です。

          シューメーカー・レビューの激突の軌跡

 

天体ショーであればそれでよろしいのですが、過去に起きた木星に激突した、<シューメーカーレビュー第九彗星>のようなことになったら、大変どころで済まなくなります。地球が破壊されるような事態にもなりかねません。このような恐怖は彗星だけではなく、小惑星や大きさ数百mほどの観測が非常に難しい、宇宙をさ迷う岩石まであります。その数30万個程だとNASAの報告に有るとの事。

彗星激突・<シューメーカー・レビュー>・木星

 

巨大な隕石が地球に激突すれば、水素爆弾が多数爆発したような地球規模の大惨事に発展します。中央アメリカのユカタン半島には、その名残が有るとのこと。地球全てに大洪水と気象の大きな変動がみられ、生物の絶滅が起こる可能性は大いにある訳です。

ごく最近でも、激突寸前になってから情報が流れたり、結構冷や冷やものの彗星などの地球接近があります。隕石が落下するのは毎日のことですが、大気圏で殆ど燃え尽きますので、惨事には余りなりませんが、都会の住宅の屋根に激突して、火災や事故のなうこともたびたび有ります。まったく予想が困難ですね

B-超新星爆発 

大分脅かしてしまいましたが、もっと怖いのが超新星爆発です。太陽より10倍以上大きな質量を持つ恒星はその中心部で核融合反応を起こしながら、赤色矮星に変化し、いずれ重力崩壊を起こし外層部を吹き飛ばし、宇宙空間に猛烈な勢いで爆発的に飛び広がる現象ですが、我々の天の川銀河でも、100~200年に一度の割合で超新星爆発があるとされております。

Wikiによれば<超新星爆発が発生すると、強烈なガンマー線が周囲に一斉に放たれる。このガンマ線の威力は凄まじく、超新星爆発を起こした恒星から半径5光年以内の惑星に住む生命体は絶滅し、25光年以内の惑星に住む生命体は半数が死に、50光年以内の惑星に住む生命体は壊滅的な打撃を受けるとされる。]ガンマ線は地表を容赦なく汚染して生命体が住めない環境にしてしまい、そこから生命体が住めるようになる環境に戻るまでには数年を要すると言われている

超新星爆発はある学者(カール・セーガン)によれば、6500万年前の恐竜絶滅の原因・ガンマー線バーストではないかと言われております。また、困ったことに超新星爆発は爆発の兆候を殆ど示さず、爆発は極めて急速に起こるということです。

更にWikiによれば<現在、地球周辺で近いうちにII型超新星爆発を起こすと予測されている星は、約600光年離れたアンタレスと、約640光年の距離にあるペルテギスである。これらの星が超新星爆発を起こした際には地球にも若干の影響が出ると言われているが、地球から距離が離れすぎているためにガンマ線の威力は弱まり、オゾン層が多少傷つく程度で惑星および生命体への影響はほとんどないと予測されている>。これらの超新星が爆発しても、宇宙線は光速で飛び散りますので、地球に届くまで600~650年は掛かりますので、若干の余裕はあります。

* 2002年1月、太陽の約60万倍の光を発した麒麟座にあるV848の超新星爆発の写真。ハッブル宇宙望遠鏡から撮影されたものです。

 

 

中心部は中性星やブラックホールになって行きます。

以上が<宇宙のニアミス>の実態です。予測が現代科学では難しいく、天文学的スケールなので、ある面では大変怖いですね。宇宙空間には無数の地球型が存在したのでしょうが、このような宇宙的スケールの事故で、滅びていった知的生命体の作り出した文明も限りなくあるのかもしれません。我々地球もその可能性は大きい訳です。

次回は<ネメシスと絶滅>について書いてみましょう。

 

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 朝から強い大陸からの北風が吹いて、海は白波が立っています。船なども一隻も見えません。木枯らしのような冷たい風が山の木々を唸らせて居ります。 

 

  

宇宙は脳と同じ機能を持っている!

 

 何か得体の知れないコンピューター・グラフィックスの写真が張ってありますが、お分かりですか。

脳内の神経細胞と神経線維の、まるで南方で生息しているガジュマルのような絡み合いを、モデリングしたものです。

 

 

上下の写真は、脳細胞の神経細胞の拡大写真と初期宇宙の銀河の成長をコンピューターシュミレーションしたものです。極巨大銀河(銀河フィラメント)の実際の構造も、これに非常に良く似ているとされております。

* 銀河フィラメント (galaxy filaments)・グレートウォール (great walls)在知られている最大構造。

 

    

 

 東京大学構内に設置された「数物連携宇宙研究機構」の研究員が、コンピューターシュミレーションで、初期宇宙の段階から銀河が形成されていく状態を再現した結果、上記の<The Universe>のような構造を持った、宇宙構造が出来上がっていく計算結果を出しました。

何も無い宇宙生成の最初期には、H,He、暗黒物質の3種類しかないという想定で、ありとあらゆる宇宙方程式を計算式の中に挿入し、6年もの長きに渡って計算した結果でした。

         Kavli・数物連携宇宙研究機構(IPMU)

 

フィラメントの中央部に明るく光っている塊は、銀河団と呼ばれるもので、実際にハップル宇宙望遠鏡で宇宙のある一点を、長時間に渡って撮影すると、何も見えなかった空間に、約1万個ほどの銀河が撮影できました。

フィルターを掛けて撮影しておりましたので、その写真を補正しましたところ、135~6億光年ほどの距離、すなわち宇宙創成後直後に近い状態の銀河であったということです。 銀河団の中央には青く輝く巨大な恒星が散らばっていたとか。

この結果から上記のコンピューターシュミレーションの計算結果が妥当であることが証明されたそうです。

宇宙の大規模構造である銀河フィラメントが、何故脳の神経組織の構造に似ているのでしょうか。大変不思議ですが現在の科学では確かなことは解っておりません。

 

 

HPを捲っておりますと、ID・インテリジェント デザインという考えを持った用語にめぐり合うことがあります。基本的な考え方は・・<進化論の否定>と<造物主・創造主がこの宇宙や我々のような生命体を設計した>と言う論点で構成されております。

これはアメリカの宗教関係の集団組織の考え方のようですが、類似の思考方法を取る集団組織はこの他にも複数あるようです。脳の研究も現代科学でも完全ではなく、宇宙物理学も未解明なところがたくさん存在する現在は、IDを完全に否定は出来ませんが、筆者としては納得しかねますね。

ただ、素粒子物理学の究極の部分が、超弦理論などの未完成の理論で究明されていない現状で、<無と有のゆらぎ>の中から宇宙が創生されるという理論も、DNAの複雑な機構が偶然の積み重ねで、長い時間の中で自然発生的に出来上がるかということにも、思いを寄せていきますと、最も基本的な原理原則を神仏(遥かに進歩した宇宙生命体も含む)などの超越的な知的設計者に託したくなるような気持ちもあります。

 

 特集・005 宇宙文明について(ミチオ・カク・・超空間 

 



        文明の誕生と滅亡

 

「我々の地球文明が<ウランの障壁>を超えれるかどうかは、全く今は分からないというべきである。仮に上手くこの先超えれたとしても、生態系の崩壊新氷河期宇宙のニアミス・ネメシスと絶滅・そして太陽と銀河の死が障壁として立ち塞がっている」という設定で、先回は「生態系の崩壊」まで論じてみました。

今回はミチオ・カク教授の<新氷河期>を記述してみましょう。

 

 今年の南極大陸の氷の厚さは、とうとう観測船・宗谷の接岸を出来なくさせてしまいました。ミニ氷河期は北極、南極に氷が増え局地的に温度が下がる期間のことですが、この現象はそうなのでしょうか。しかし、アメリカ大陸の平年気温は近年最高であったとか。日本でも思わぬ風雪が吹き、気象台の予報を外させてしまいました。

地球温暖化が叫ばれ、CO2の削減が必須であるとしていますが、一体地球は温暖化しているのでしょうか。それとも寒冷化しているのでしょうか。地球気候は現在間氷期であるとされておりますが、実際はどうなんでしょうか。

 

 

太陽の黒点は基本的に11年周期で増減を繰り返しています。そのため本来であれば2009年に増え始めるはずでしたが、増えるのが遅れ13年周期に変わっています。さらに今年4月、太陽の南極と北極の間に流れる磁力が4つに分かれる珍しい現象が確認されました。これらの現象は過去1000年の間に起きたミニ氷河期が始まる直前に見られた現象なのです。
 

氷河期が始まると、地球の生態系に甚大な被害を及ぼします。氷河期、間氷期なるものの時間的スケールが、何万年、何十万年という膨大なものなので、ここ1000年や2000年の動きでは、なかなか正確には掴めぬようです。また、各種の学説が入り乱れて、どれを信用して良いのか、判別しかねるというのが正直なところ現状です。

 

 

ただ、ミニ氷河期が近づいている。夏が極端に暑く、冬が厳冬になるというはどうも最近の気候変動を見ておりますと、当たっているようです。ミチオ・カク博士は著書の中で、「ウランの障壁と生態系の崩壊を上手く乗り越えられたらの話であるが、そうなれば、数百年のうちには気象を制御出来るようになるだろう。次の氷河期がやってくる前に、第1型文明又はそれ以上の段階に達していれば、地球の寒冷化が原因で人類が滅亡することはないであろう。新氷河期が到来したときは、気象を制御して氷河期を人工的に終わらせてしまうか、地球そのものを放棄するか、いずれかの選択を行うことになるはずだ」 と書いております。

氷河期の詳しいメカニズムはいずれまた勉強をしてみましょう。氷河期が明日、明後日にやって来るというわけではありませんので、心配は要りません。

 

次回は<宇宙のニアミス>について考えてみましょう。

 * 今回は「物理学史」は休みました!

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