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運動の法則:力と速度の変化

アリストテレスによれば、物体は何かに押されている間だけ動きます。荷車を押すのをやめれば、荷車は止まる。当たり前に思えますし、実際 2000 年近く受け入れられてきました。 ガリレオは疑問を持ちました。斜面に球を転がしてみて、表面がなめらかなほど球が遠くまで転がることに気づいたのです。摩擦がまったくなければ、球は決して止まらないでしょう。デカルトも同じような考えにたどり着きました。ニュートンはこれらの手がかりをまとめ、1687 年の『プリンキピア』に、力学全体の土台となる三つの法則を書きました。 1687 年の『プリンキピア』初版の扉。アイザック・ニュートン · Wikimedia Commons · パブリックドメイン。 この本はラテン語で書かれ、証明はほとんどユークリッド流の幾何学だけを使っています。ニュートンはすでに流率法を持っていましたが、読者が異論なく受け入れる言葉を選んだのです。法則は冒頭に、公理として現れます。 第一法則:慣性 すべての物体は、加えられた力によってその状態を変えられない限り、静止の状態、または直線上の一様な運動の状態を続ける。 — 『プリンキピア』法則 I 荷車が止まるのは摩擦が減速させるからで、動くのに「疲れた」からではありません。宇宙で、何もないところでは、エンジンを止めた探査機は何百万キロもまっすぐ進みます。1977 年に打ち上げられ、今も太陽から遠ざかり続けている探査機ボイジャーがその例です。 この教訓は直感に反します。力は運動を維持するものではなく、運動を変えるものなのです。 第二法則:力と加速度 運動の変化は加えられた起動力に比例し、その力が加えられた直線の方向に起こる。 — 『プリンキピア』法則 II ニュートンが「運動」と呼んだのは、今日の運動量、つまり質量×速度のことです。質量が変わらなければ、この法則はおなじみの式になります。 $$\sum\vec F=m\,\vec a.$$$\sum$ は、大事なのはすべての力の合計だということを思い出させます。10 N の力が 2 kg の物体を右に押し、4 N の摩擦が左に引くなら、合力は右向き 6 N で、 $$a=\frac{6}{2}=3\ \text{m/s}^2.$$流率の言葉で言えば、加速度は $\ddot x$、位置の流率の流率です。すると第二法則は $m\ddot x=F$ という微分方程式になります。力がわかれば、運動全体を一瞬一瞬計算できます。これこそが、ニュートン力学を予測の機械にしているのです。 第三法則:作用と反作用 すべての作用には、つねに等しい反作用が逆向きにはたらく。 — 『プリンキピア』法則 III 壁を押すと、壁は同じ大きさの力であなたを押し返します。泳ぐ人が水を後ろに押すと、水は人を前に押します。ロケットも同じで、ガスを下に噴き出し、ガスがロケットを上に押します。 よくある混乱:力が等しく逆向きなら、なぜ打ち消し合わないのでしょうか? それは別々の物体にはたらくからです。あなたが加える力は壁に、壁が加える力はあなたにはたらきます。あなたが加速するかどうかを知るには、あなたにはたらく力だけを数えます。 彼の名をとった単位 国際単位系では、力の単位はニュートン(N)と呼ばれます。1 ニュートンは、1 kg の物体に 1 m/s² の加速度を与える力です。ふつうのリンゴの重さはおよそ 1 N。物理の先生が大好きな偶然です。 三法則の射程 この三つの文に万有引力の法則を加えて、『プリンキピア』は物体の落下、投射体の運動、潮の満ち引き、月の軌道、地球が両極でつぶれていることを説明しました。今でも、橋の設計、人工衛星の軌道計算、自動車の衝突シミュレーションに使われているのはこれらの法則です。

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光は電磁波である

光は、電気と磁気の現象の原因である同じ媒質の横波からなる、という推論を避けることはほとんどできない。 — ジェームズ・クラーク・マクスウェル「物理的な力線について」(1862)、斜体は原文のまま 1861 年の夏、本から遠く離れたグレンレアで、マクスウェルは渦と小さな歯車の模型を使ってある計算をしました。電気と磁気の力を伝える媒質をゆさぶると、その乱れは波として伝わるはずだ。速さはどれくらいか。計算から出てきた数は、磁石と電荷を使って実験室で測られる二つの定数だけで決まっていました。手もとにはその値がありませんでした。10 月にロンドンに戻って調べてみると、その数は 光の速さ だったのです。 波動方程式 今日の形の方程式で計算をやり直しましょう。電荷も電流もないところでは $\rho=0$、$\mathbf J=0$ で、方程式は $$\nabla\cdot\mathbf E=0,\qquad\nabla\cdot\mathbf B=0,\qquad\nabla\times\mathbf E=-\frac{\partial\mathbf B}{\partial t},\qquad\nabla\times\mathbf B=\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial\mathbf E}{\partial t}$$になります。三本目の回転をとると、四本目を使って $$\nabla\times(\nabla\times\mathbf E)=-\frac{\partial}{\partial t}(\nabla\times\mathbf B)=-\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial^2\mathbf E}{\partial t^2}.$$左辺では、ベクトルの恒等式 $\nabla\times(\nabla\times\mathbf E)=\nabla(\nabla\cdot\mathbf E)-\nabla^2\mathbf E$ が成り立ち、一本目の方程式から最初の項は 0 です。残るのは $$\boxed{\nabla^2\mathbf E=\mu_0\varepsilon_0\,\frac{\partial^2\mathbf E}{\partial t^2}.}$$これは 波動方程式 で、ダランベールの振動する弦や音と同じものです。波動方程式 $\nabla^2u=\frac1{v^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2}$ では、波の速さは $v$ です。したがってここでは $$v=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}.$$その数 今日の値、$\varepsilon_0\approx8.854\times10^{-12}$ F/m と $\mu_0\approx1.257\times10^{-6}$ H/m を使うと、 $$v=\frac1{\sqrt{8.854\times10^{-12}\cdot1.257\times10^{-6}}}\approx2.998\times10^8\ \text{m/s}=299\,792\ \text{km/s}.$$1862 年、マクスウェルは、ドイツのヴィルヘルム・ヴェーバーとルドルフ・コールラウシュが 1856 年にライデン瓶の放電で測った定数を使い、秒速 310 740 km を得ました。光の速さの最良の測定は、フランスのイポリット・フィゾーが 1849 年に歯車と 8 km 先の鏡で行ったもので、秒速 314 858 km でした。一方は磁石で、もう一方は鏡で、まったく関係のない道すじで得られた二つの数が、1% あまりしかちがわなかったのです。冒頭の引用の一文は、そこから来ています。マクスウェルはそれを斜体で書きました。

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アルベルト・アインシュタインの遺産

想像力は知識より大切だ。知識にはかぎりがあるが、想像力は世界を包みこむ。 — アルベルト・アインシュタイン、『サタデー・イヴニング・ポスト』のインタビュー(1929) アインシュタインは、だれもが顔を知っているただひとりの科学者です。けれども彼の遺産はポスターのなかにはありません。私たちが何も考えずに使っている道具のなかに、そして物理学者が今も答えようとしている問いのなかにあるのです。彼の予言のいくつかは、死後何十年もたってからようやく確かめられました。 レーザー 1917 年、物質が光を吸収し放出するしくみを調べていたアインシュタインは、励起された原子が、自然に光子を吸収・放出するだけでなく、光子によって 誘導 されて、同じ向きにそっくり同じ光子をもうひとつ出すことがあると気づきました。理論上の観察でした。四十年後、それは レーザー になります。「誘導放出による光の増幅」の英語の頭文字です。バーコードの読み取り機、光ファイバー、目の手術、講義用のポインターは、どれも誘導放出の応用です。 物質の新しい状態 1924 年、インドの物理学者サティエンドラ・ナート・ボースが、光子の新しい数え方を述べた論文をアインシュタインに送りました。アインシュタインはそれをドイツ語に訳して発表させ、その考えを原子に広げました。そして、絶対零度のすぐ近くでは、ある種の原子の気体が、まるですべての原子がひとつになったかのように、ただひとつの状態に凝縮すると予言しました。ボース=アインシュタイン凝縮 は 1995 年に実験室でつくられ、実現した人たちは 2001 年のノーベル賞を受けました。 宇宙と「最大のあやまち」 1917 年、アインシュタインは一般相対性理論を宇宙全体にあてはめました。方程式によれば、宇宙はじっとしていることができず、膨張するか収縮するかしなければなりません。当時はだれもが静止した宇宙を信じていたので、アインシュタインは宇宙を止めておくためだけに、方程式にひとつの項、宇宙定数 $\Lambda$ を加えました。1929 年、エドウィン・ハッブルが、銀河どうしが遠ざかっていること、つまり宇宙が膨張していることを示します。物理学者ジョージ・ガモフによれば、アインシュタインはあの定数を生涯「最大のあやまち」だったと言ったそうです。 話にはどんでん返しがあります。1998 年、宇宙の膨張が 加速している ことがわかり、いちばん簡単な説明がまさに宇宙定数だったのです。「あやまち」は方程式に戻ってきました。 時空のさざ波 1916 年、アインシュタインは、加速する質量が 重力波、つまり光の速さで伝わる時空そのもののさざ波を生むと予言しましたが、弱すぎて測ることはできないだろうと考えていました。2015 年 9 月 14 日、ほぼ百年後、アメリカの LIGO の検出器がそれをとらえました。13 億光年のかなたで二つのブラックホールが合体したときのものでした。その波は検出器の長さ 4 km の腕を、陽子の大きさの千分の一にもならないだけのばしたり縮めたりしました。 ブラックホール アインシュタインの方程式は、時空があまりにゆがんで光さえ逃げられない領域を許します。アインシュタイン自身は、自然がそんなものをつくるのか疑っていました。今では、私たちの銀河の中心に太陽の 400 万倍の質量のブラックホールがあることがわかっており、2019 年にはイベント・ホライズン・テレスコープが、M87 銀河にあるブラックホールの影の最初の画像を公開しました。 1925 年 5 月、リオデジャネイロの植物園のアインシュタイン。作者不明 · Wikimedia Commons · パブリックドメイン アインシュタインとブラジル 1925 年の訪問はあとを残しました。アインシュタインを迎えたのは、ブラジル科学アカデミーと、国立天文台の台長でソブラルの日食観測にも加わった科学者エンリケ・モリーゼでした。新聞は似顔絵やコラムを載せ、そのひとつは相対性という言葉をもじって「無相対性」という題の風刺画を掲げました。ソブラルには今、望遠鏡が据えられた場所に 日食博物館 があり、2019 年の百周年には、町で一週間にわたる科学の催しが開かれました。

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サイクロイド:歯痛の曲線

自転車のタイヤに点を一つ描き、まっすぐに押して進んでみましょう。点は上がっていき、アーチを描いて、また下りてきて地面に触れます。車輪が一回転するごとにこれをくり返します。この点が描く曲線をサイクロイドといいます。 17 世紀には、これが流行の曲線でした。フランス人は ルレット と呼びました。あまりに多くの数学者がこの曲線についての発見をめぐって争ったので、あだ名までつきました。トロイア戦争を引き起こしたヘレネーにちなんで、幾何学者たちのヘレネーです。 車輪の方程式 半径 $r$ の車輪が直線の上をすべらずに転がるとします。車輪が角 $t$(ラジアンで測る)だけ回ると、中心は距離 $rt$ だけ進みます。これは地面に触れた縁の長さです。いちばん下から出発した点は、そのとき $$x=r(t-\sin t),\qquad y=r(1-\cos t).$$の位置にあります。$t=0$ から $t=2\pi$ までで、車輪はちょうど一回転します。アーチの幅は車輪の周の長さに等しい $2\pi r$、いちばん高いところは直径の $2r$ です。 半径 1 の車輪が描くサイクロイドの一つのアーチ。アーチの下の面積は 3π で、車輪の面積の三倍です。ブログのオリジナル図版。 ガリレオ、曲線の重さを量る 1599 年ごろ、ガリレオはこの曲線に名前をつけ、一つのアーチの下の面積を知りたいと考えました。計算できなかったので、同じ材料の板からサイクロイドと、それを生み出す円とを切り抜いて、重さを量りました。サイクロイドは円のほぼ三倍の重さでした。ガリレオは、比はちょうど 3 ではないのではないかと疑い、そこでやめてしまいました。 比はちょうど 3 でした。ジル・ド・ロベルヴァルが 1634 年にそれを証明し、今ではその計算は数行で済みます。 微積分で面積を求める 曲線の下の面積は、高さ $y$、幅 $dx$ の細い帯の和です。$dx=r(1-\cos t)\,dt$ なので、 $$A=\int_0^{2\pi}y\,\frac{dx}{dt}\,dt=r^2\int_0^{2\pi}(1-\cos t)^2\,dt.$$二乗を展開すると、三つの部分が残ります。 $$\int_0^{2\pi}1\,dt=2\pi,\qquad \int_0^{2\pi}-2\cos t\,dt=0,\qquad \int_0^{2\pi}\cos^2t\,dt=\pi.$$最後のものは $\cos^2t=\frac{1+\cos2t}{2}$ から出てきます。合計すると $$A=r^2(2\pi+0+\pi)=3\pi r^2.$$サイクロイドの一つのアーチの下の面積は、それを描いた車輪の面積の三倍です。ガリレオの切り抜きは正しかったのです。 1658 年の夜 1658 年には、パスカルが数学から離れて四年がたっていました。姉ジルベルトによると、ある夜、彼はひどい歯痛で眠れませんでした。痛みを忘れようとして、サイクロイドについて考え始めると、痛みが消えました。パスカルはそれを研究を続けてよいという許しと受けとり、八日のうちに、誰も解いたことのない問題を解きました。曲線の各部分の面積、その重心、そして曲線を軸のまわりに回転させてできる立体の体積です。 それから彼は、アモス・デトンヴィルという偽名で、ヨーロッパ中に公開の挑戦状を出しました。一位には金貨 40 ピストル、二位には 20 ピストルを出すとし、締め切りは 1658 年 10 月 1 日でした。

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フェルマーの原理:光はもっとも速い道を選ぶ

砂浜にいるライフガードが、少し沖の、横にずれたところで誰かがおぼれているのを見つけました。どの道を行くべきでしょうか? 直線はいちばん短い道ですが、いちばん速い道ではありません。砂の上を走るほうが、水の中を泳ぐよりずっと速いからです。少し余分に砂浜を走って、泳ぐ距離を減らすほうが得なのです。 フェルマーは、光がまさにこの選択をしていることに気づきました。 反射:最短の道 いちばん古い考えは鏡についてのものです。1 世紀、アレクサンドリアのヘロンはすでに、光は反射するとき、鏡を経由して二点を結ぶ最短の道を通ることに気づいていました。 導関数で確かめてみましょう。光源 $S$ は鏡から高さ $a$、目 $T$ は高さ $b$ のところにあり、二つの水平距離は $\ell$ です。光は鏡の点 $M$ に当たり、$M$ は $S$ の真下から距離 $x$ のところにあります。 道 $S\to M\to T$ の長さは $$P(x)=\sqrt{x^2+a^2}+\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}.$$最小のところでは、導関数がゼロになります。 $$P'(x)=\frac{x}{\sqrt{x^2+a^2}}-\frac{\ell-x}{\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}}=0.$$それぞれの分数は角の正弦です。$\dfrac{x}{\sqrt{x^2+a^2}}$ は鏡の法線から測った入射角 $\hat i$ の正弦、$\dfrac{\ell-x}{\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}}$ は反射角 $\hat r$ の正弦です。したがって $$\sin\hat i=\sin\hat r\qquad\Longrightarrow\qquad\hat i=\hat r.$$これが反射の法則、入射角は反射角に等しいです。 屈折:最短の時間 反射では光は同じ媒質の中にとどまるので、最短の道がもっとも速い道でもあります。しかし光が空気から水に入ると、向きを変えます。折れ曲がった道は直線より長い。なぜ光はそんなことをするのでしょう? 1662 年、フェルマーは答えを出しました。光が通るのは最短の道ではなく、もっとも速い道だ。水の中では遅くなるなら、空気中で少し余分に進むほうが得になる。砂浜のライフガードと同じです。 二つの媒質:点 P の位置によって、それぞれの媒質を進む距離と全体の時間が決まる。角度は境界面の法線から測る。ブログのオリジナル図版。 一つ目の媒質での光の速さを $v_1$、二つ目での速さを $v_2$ とします。距離は先ほどと同じで、今度は点 $T$ が境界面の下にあるとすると、全体の時間は $$t(x)=\frac{\sqrt{x^2+a^2}}{v_1}+\frac{\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}}{v_2}.$$微分してゼロとおくと、 $$\frac{x}{v_1\sqrt{x^2+a^2}}=\frac{\ell-x}{v_2\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}}.$$法線との角の正弦だと気づけば、 $$\frac{\sin\theta_1}{v_1}=\frac{\sin\theta_2}{v_2}\qquad\text{つまり}\qquad\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2}=\frac{v_1}{v_2}.$$これが高校で習う屈折の法則、スネルの法則です。光が二つ目の媒質で遅くなる($v_2

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万有引力:リンゴから月へ

リンゴは落ちるのに、なぜ月は落ちてこないのでしょう? ニュートン以前、答えは簡単に思えました。天と地は別の規則に従っている。地上ではものは落ちる。天上では星々が完全な円を永遠に回り続ける。ニュートンの偉大な発想は、この区別を疑ったことです。もしかすると、月はずっと落ち続けているのではないか。 ニュートンの大砲 ウールズソープ・マナーの果樹園にあるリンゴの木。言い伝えでは、これが「ニュートンの木」とされる。David Smith · Wikimedia Commons · CC BY-SA 2.0 『プリンキピア』のための草稿で、ニュートンは思考実験を提案しました。とても高い山の頂上に大砲を置き、水平に撃ちます。火薬が少なければ、砲弾は近くに落ちます。多ければ、もっと遠くに落ちます。でも地球は丸い。砲弾が十分に速ければ、地面は砲弾が落ちるのとちょうど同じだけ下に曲がっていきます。砲弾は永遠に落ち続け、決して地面に届きません。軌道に乗ったのです。 地表近くでは、その速さは秒速約 7.9 km、時速 2 万 8000 km です。低軌道を回る人工衛星の速さです。一周は約 84 分(空気抵抗を無視した場合。実際には衛星は大気よりずっと高いところを飛ばなければなりません)。 月はこの砲弾なのです。月は一瞬ごとに地球に向かって落ちていますが、横に動く速さが大きすぎて、決して落ちてきません。 逆 2 乗の法則 この考えが成り立つには、重力は距離とともに弱まらなければなりません。ニュートンは、重力は距離の 2 乗に反比例すると仮定しました。今日の記号では $$F=G\,\frac{Mm}{r^2}.$$$M$ と $m$ は二つの質量、$r$ は中心間の距離、$G$ は普遍定数です。距離が 2 倍になれば力は $1/2^2=1/4$ に、3 倍になれば $1/9$ になります。 月の検証 ニュートンは、この仮定を科学に変える計算をしました。月は地球の中心から地球半径の約 60 倍の距離にあります。重力が距離の 2 乗に反比例して弱まるなら、月の加速度は地表のリンゴの $60^2=3600$ 分の 1 のはずです。 $$\frac{9.81}{3600}\approx0.00272\ \text{m/s}^2.$$今度は天文学だけを使って、別の方法で月の加速度を測ってみましょう。月は半径 $r\approx384\,400$ km の円を約 $T\approx27.3$ 日で回ります。円運動する物体の加速度は $$a=\frac{4\pi^2r}{T^2}=\frac{4\pi^2\cdot3.844\times10^8}{(27.32\cdot86\,400)^2}\approx0.00272\ \text{m/s}^2.$$二つの数は一致します。リンゴを落とす力と月をつなぎとめる力は同じものなのです。ニュートンは、結果が「かなりよく一致した」と書いています。ただし 1666 年には地球の半径として不正確な値を使っていたため、一致は完全ではありませんでした。何年も後、よりよい測定値が得られて、計算はようやくぴったり合いました。 4 行で導くケプラー その数十年前、ケプラーは天文データから、惑星の周期の 2 乗が軌道の大きさの 3 乗に比例することを見つけていました。なぜそうなるのかは誰も知りませんでした。万有引力と第二法則を使えば、少なくとも円軌道については、説明は数行で済みます。

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ジェームズ・クラーク・マクスウェルの遺産

この実在の概念の変化は、ニュートンの時代以来、物理学が経験した最も深く、最も実り多いものである。 — アルベルト・アインシュタイン、マクスウェル生誕百年に(1931) マクスウェルは 48 歳で亡くなり、一般にはほとんど知られていませんでした。生前、彼の場の理論を受けいれていたのは、イギリスの物理学者の小さなグループくらいでした。今日では、携帯電話を使う人はだれでも、一秒に何十回もそれに頼っています。 情報を運ぶ波 マクスウェルの方程式は、あらゆる振動数の電磁波を予言しました。1887 年のヘルツのあと、マルコーニの無線電信、ラジオ、レーダー、テレビ、人工衛星、携帯電話、Wi-Fi、GPS、電子レンジが続きました。アンテナやチップや光ファイバーを設計する技術者は、なんらかの形でマクスウェルの方程式を解いているのです。 だれにもよらない速さ 方程式は光の速さ $c=\frac1{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}$ を与えますが、何に対しての速さかは言いません。ニュートンの物理学にとって、これは問題でした。速さはいつも、だれが測るかによって決まるからです。十九世紀末の物理学者たちは静止したエーテルを仮定しましたが、1887 年のマイケルソンとモーリーの実験はそれを見つけられませんでした。1905 年、アインシュタイン は最も急進的なやり方で問題を解決しました。光の速さはだれにとっても同じで、変わるのは時間と空間のほうだ、と。相対性理論は、マクスウェルの方程式を本気で受けとめることから生まれたのです。 確率の物理学 1860 年の速さの分布は、統計力学 の始まりでした。オーストリアのルートヴィヒ・ボルツマンはそれを一般化し、いつも増えていく量であるエントロピーが、分子の並べ方の数を測っていることを示しました。マクスウェルの悪魔は一世紀にわたる議論を引きおこし、最後には熱力学を情報理論と計算に結びつけることになりました。 制御理論の最初の論文 1868 年、マクスウェルは「調速機について」という短い論文を発表しました。蒸気機関の速さを制御する遠心調速機についての論文です。彼は、多項式の根を使った計算によって、調速機が機関を安定させるのか、それともますます大きく振動させるのかを判定する方法を示しました。これは 制御理論 の最初の数学的な仕事とされています。自動操縦装置、サーモスタット、ロボットの背後にある分野です。 ベクトルと物理学の言葉 四元数をめぐるテイトとの議論、curl と convergence という言葉、そしてヘヴィサイドとギブズによる書きなおしが、ベクトル を物理学と工学の言葉にしました。微積分の講義で学ぶ内積、外積、発散、回転は、マクスウェルの方程式を書くために生まれたのです。 残ったもの 電磁気学。 四本の方程式、変位電流、電磁波としての光。 統計物理学。 速さの分布、気体の粘性、マクスウェルの悪魔。 光学と色。 三色説、マクスウェルの三角形、最初のカラー写真。 天文学。 土星の環の構造。 工学。 制御理論と構造解析。マクスウェル=クレモナ図は今もトラスの計算に使われている。 研究所。 電子、中性子、DNA の構造が発見されたキャヴェンディッシュ研究所。 単位マクスウェル 古い CGS 単位系では、磁束の単位は マクスウェル と呼ばれます。月にはマクスウェル・クレーターが、金星にはその惑星で最も高い山々であるマクスウェル山脈があり、ハワイにはジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡があります。2008 年、エディンバラは、彼が生まれた家からほど近いジョージ・ストリートに、犬のトビーをつれたマクスウェルの像を除幕しました。 覚えておきたいこと ジェームズ・クラーク・マクスウェルは 1831 年から 1879 年まで生きた。エディンバラ、ケンブリッジ、アバディーン、ロンドン、そしてふたたびケンブリッジ。 感じられる色を表すには三つの数で足りる。赤、緑、青のフィルターを通した三枚の写真で、マクスウェルは最初のカラー写真をつくった。 土星の環は固体ではありえない。内側の部分は外側より速く動かなければならないからである。$v=\sqrt{GM/r}$。 気体分子の速さはマクスウェル分布にしたがう。27 °C の空気では、山は 420 m/s 付近にある。 四本の方程式が、すべての電気と磁気の現象を記述する。変位電流の項が電荷の保存を保証する。 方程式からは、速さ $\frac1{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}\approx$ 秒速 300 000 km の波が出てくる。それが光である。 出典: マクスウェルの伝記、MacTutor · Basil Mahon、The Man Who Changed Everything(Wiley、2003)· James Clerk Maxwell、“On governors”、Proceedings of the Royal Society 16(1868)。

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画像クレジット

歴史的な画像 すべてウィキメディア・コモンズから取りました。コモンズが提供するサムネイルを使い、大きなものは幅 1 200 ピクセルに縮小しましたが、それ以外の編集はしていません。 1921 年のアインシュタインの肖像、おそらく Herman Mishkin 撮影、ノーベル財団が使用:元のページ · パブリックドメイン。 1904 年ごろ、ベルンのアインシュタイン、Lucien Chavan 撮影:元のページ · パブリックドメイン。 国立博物館のアインシュタイン、リオデジャネイロ、1925 年 5 月 7 日、作者不明:元のページ · パブリックドメイン。 リオデジャネイロ植物園のアインシュタイン、1925 年 5 月、作者不明:元のページ · パブリックドメイン。 ソブラルの観測隊の機器、1919 年、Charles Davidson 撮影:元のページ · パブリックドメイン。 1919 年の日食の乾板、ダイソン、エディントン、デイヴィッドソンの報告より:元のページ · パブリックドメイン。 ブログの図 表紙、光時計の図、2 000 歩のランダムウォークは、このサイトのオリジナルのイラストで、サイトの各言語の版があります。光時計の図は、このサイトの旧相対性理論講座の図をもとに描きなおしたもので、宇宙飛行士と宇宙線の粒子の例もその講座から来ています。ランダムウォークは、方向をでたらめに選んでコンピュータで生成しました。 記録 ファイル data/einstein_imagens.json には、ダウンロードした各画像の出所、ライセンス、確認日、SHA-256 ハッシュが記録されています。各トピックの歴史的な出典は、それぞれの記事の末尾にあります。 アルベルト・アインシュタインの全トピック · ← アルベルト・アインシュタインの遺産

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パスカルの原理:水で力を何倍にもする

ゾウとハイヒールをはいた女性。やわらかい地面に深く沈むのはどちらでしょうか。女性のほうかもしれません。ゾウは五十倍も重いのですが、その重さは四本の大きな足に広がっています。女性の重さは、細いヒールの先に集中しています。 地面を沈ませるのは力ではなく圧力です。圧力とは、力をそれがかかる面積で割ったものです。 $$p=\frac FA.$$圧力の単位はパスカルです。$1\ \text{Pa}=1\ \text{N/m}^2$、つまり 1 ニュートンの力が 1 平方メートルに広がった圧力です。これはとても小さな圧力で、海面での大気の圧力は約 $100\,000$ Pa です。 液体についての論文 1653 年ごろ、パスカルは『流体の平衡について』を書きました。出版されたのは彼の死後の 1663 年です。そこには、今日パスカルの原理と呼ばれる規則が書かれています。 閉じこめられて静止している液体の一点に加えられた圧力の増加は、液体のすべての点と容器の壁に、等しく伝わる。 歯みがきのチューブの真ん中を押すと、口から中身が出てきます。指の圧力がそこまで届いたのです。風船に水を入れ、何か所か穴をあけて押すと、すべての穴から、あらゆる方向に水が噴き出します。 破裂した樽 パスカルが有名な実演をしたという話があります。水をいっぱいに入れてしっかり閉じた樽のふたに、高さ約 10 メートルの細くて長い管を差し込みました。バルコニーに上がって管に水を注ぐと、1 リットルあまりで樽が破裂したというのです。 この場面が本当にそのとおりだったかはわかりませんが、計算するとありえたことがわかります。高さ $h$ の液柱の底での圧力は $$p=\rho gh,$$です。$\rho$ は液体の密度、$g\approx9.8\ \text{m/s}^2$ です。高さ 10 メートルの水なら、$\rho=1000\ \text{kg/m}^3$ として $$p=1000\cdot9.8\cdot10=98\,000\ \text{Pa}.$$大事なのは水柱の高さで、水の量ではありません。管の断面積が $1\ \text{cm}^2$ なら、10 メートルの水はたった $1$ リットルです。ところが、この $98\,000$ Pa は樽のふた全体に伝わります。ふたの面積が $0.2\ \text{m}^2$ なら、ふたにかかる力は $$F=pA=98\,000\cdot0.2=19\,600\ \text{N},$$2 トンのものの重さに相当します。細い管の中のたった 1 リットルの水が、自動車が載っているような力でふたを押すのです。 水圧機 パスカルは、この原理を使えば力を何倍にもできることに気づきました。水を満たした二つの円筒が底でつながり、それぞれピストンでふさがれているとします。一方は細く、もう一方は太い。細いピストンを力 $F_1$ で押すと、圧力は $F_1/A_1$ だけ増え、その同じ増加が太いピストンに伝わります。 $$\frac{F_1}{A_1}=\frac{F_2}{A_2}\quad\Longrightarrow\quad F_2=F_1\cdot\frac{A_2}{A_1}.$$ 小さなピストンを押す一人の人は、百倍広いピストンを押す百人の人の力に等しくなる。 — ブレーズ・パスカル『流体の平衡について』 小さいほうの面積が $2\ \text{cm}^2$、大きいほうが $8\ \text{cm}^2$ なら、比は $4$ です。小さいピストンに $50$ N の力をかけると、大きいピストンでは $200$ N になります。車を持ち上げる油圧ジャッキも、足一本の力で車を止めるブレーキも、ショベルカーも、この仕組みで動いています。

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光と色:プリズムは虹を作らない

ニュートンの時代にはすでに、太陽の光がガラスのプリズムを通ると色の帯ができることが知られていました。広く受け入れられていた説明はアリストテレスとデカルトに由来するもので、白い光は純粋であり、ガラスがそれを変化させ、少しずつ暗くするのだ、というものでした。変化が小さければ赤、大きければ青や紫になる、と。 ニュートンは疑いました。もしかすると色はもともと白い光の中にあって、プリズムはそれを分けているだけではないか? 暗い部屋 1666 年、ニュートンは部屋を暗くし、窓の雨戸に小さな穴をあけて、細い太陽光線を入れました。その通り道にプリズムを置くと、反対側の壁に赤から紫までの色の帯が現れました。 最初の驚きはその形でした。穴は丸いので、「変化」説によれば丸い色のしみができるはずです。ところが帯は幅の 5 倍も長かったのです。ニュートンにとって、これは色ごとに曲がる角度が違うことを意味していました。紫がいちばん大きく、赤がいちばん小さく曲がるのです。 決定実験 これだけではまだ何も証明できません。プリズムが色を「作り」続けているのかもしれないからです。そこでニュートンは、彼が experimentum crucis、つまり決定実験と呼んだものを行いました。 板に穴をあけて、帯のうち一つの色、たとえば赤だけを通し、その光を2 つ目のプリズムに通しました。ガラスが色を作るのなら、2 つ目のプリズムは赤を新しい虹に変えるはずです。そうはなりませんでした。赤は赤のまま、ただ曲がって出てきただけで、しかもいつも同じ角度でした。青も同じで、曲がる角度が大きいだけでした。 結論:それぞれの色は白い光の成分であり、固有の屈折の度合いをもっている。プリズムは色を作るのではなく、分けるのだ。議論を完結させるため、ニュートンはレンズと 2 つ目のプリズムで色を再び集め、もう一度白い光を得ました。 説明図:プリズムは白い光にもともと含まれている色を分ける。線は色ごとの経路を示し、縮尺は正確ではない。ブログのオリジナル図版。 危険な実験 ニュートンは自分の体で視覚を調べました。ノートには、太い針を眼球と眼窩の骨の間に差し込み、目の奥を押して、現れる色の輪を観察したと書いています。別のときには鏡に映した太陽を長く見つめすぎて、視力が戻るまで何日も暗闇にこもらなければなりませんでした。決してまねしないでください。 屈折を数で表す 今日、屈折はスネルの法則で表されます。これはニュートン以前に発見されていました(イブン・サフル、スネル、デカルトがそれぞれ独立に到達)。 $$n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2.$$角度は面に垂直な線(法線)から測り、$n$ は各媒質の屈折率です。今日の言葉で言えば、ニュートンの発見はガラスの屈折率が色によって違うということです。普通のガラスでは、赤に対して約 $1.51$、紫に対して約 $1.53$。差は小さくても、色を扇形に広げるには十分です。 たとえば、空気($n_1=1$)から $\theta_1=45°$ でガラスに入る光線を考えます。赤では $\sin\theta_2=\dfrac{0.707}{1.51}\approx0.468$ で $\theta_2\approx27.9°$、紫では $\sin\theta_2=\dfrac{0.707}{1.53}\approx0.462$ で $\theta_2\approx27.5°$。プリズムの最初の面だけで、すでに 0.5 度の差がつきます。 なぜ七色なのか? スペクトルは連続していて、色と色の間に自然な境目はありません。ニュートンははじめ五色を数えました。その後、音階の七つの音と対応させたくて、橙と藍を加えて七色にしたのです。今でも虹は七色だと言われるのはそのためです。 鏡の望遠鏡 ニュートンが 1668 年につくった最初の反射望遠鏡の複製。1924 年にロンドンの科学博物館のためにつくられた。Science Museum Group · Wikimedia Commons · CC BY 4.0 この発見には実用的な結果がありました。当時の望遠鏡はレンズを使っていましたが、レンズもプリズムと同じように色ごとに光の曲げ方を変えます。星は縁に色がにじんでぼやけて見えました。ニュートンは、単純なレンズではこの問題を解決できないと結論し、主レンズをすべての色を同じように反射する曲面鏡に置き換えました。 1668 年、彼は金属の鏡を自分で磨いて、長さ約 15 cm の、実際に使える最初の反射望遠鏡を作りました。1671 年に王立協会で披露されたこの装置が、彼を有名にしました。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を含め、今日の大型望遠鏡は反射式です。

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歴史的な画像と写真 すべてウィキメディア・コモンズから取りました。コモンズが提供するサムネイルを、編集せずに使っています。 マクスウェルの肖像、G. J. Stodart の版画、1890 年:元のページ · パブリックドメイン。 タータンのリボン、最初のカラー写真、マクスウェルとトマス・サットン、1861 年:元のページ · パブリックドメイン。 上から見た土星、探査機カッシーニ、2013 年:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute、元のページ · パブリックドメイン。 マイケル・ファラデー、1850 年代の写真、作者不明:元のページ · パブリックドメイン。 『電気磁気論』の扉、オックスフォード、1873 年:元のページ · パブリックドメイン。 犬のトビーをつれたマクスウェルの像、エディンバラ、Зеленый кабинет 撮影:元のページ · CC BY-SA 2.0。 ブログの図 表紙、波の形の図、窒素のマクスウェル分布のグラフは、このサイトのオリジナルのイラストで、サイトの各言語の版があります。グラフは分布の正確な式で計算して描きました。方程式の記事にある四元数とベクトルの話は、このサイトの旧ベクトル講座の一部をもとにしています。 記録 ファイル data/maxwell_imagens.json には、ダウンロードした各画像の出所、ライセンス、確認日、SHA-256 ハッシュが記録されています。各トピックの歴史的な出典は、それぞれの記事の末尾にあります。 ジェームズ・クラーク・マクスウェルの全トピック · ← ジェームズ・クラーク・マクスウェルの遺産