物理学

全ての画像を見る

お茶やコーヒーをポットから注ぐ際、液体が注ぎ口の下側を伝ってポタポタ垂れることがよくあります。

この現象は、科学的に「ティーポット効果（teapot effect）」として知られています。

一見シンプルな現象ですが、その仕組みは、過去数十年の研究にもかかわらず、いまだに解明されていませんでした。

しかしその状況は、ウィーン工科大学（TU Wien・オーストリア）により、ついに終止符が打たれました。

彼らの研究によると、ティーポット効果は、慣性力・粘性力・毛細管力の相互作用によって発生しているとのことです。

以下で、詳しく見ていきましょう。

研究は、2021年9月8日付けで学術誌『Journal of Fluid Mechanics』に掲載されています。

目次 「ティーポット効果」の仕組みを完全解明！ 「ティーポット効果」の仕組みを完全解明！ 注ぎ口から飲み物が垂れてしまう「ティーポット効果」は、19…

全ての画像を見る

全ての画像を見る

ニュートン以来、長きに渡って物理学が描いてきたのは、因果律に支配された決定論的な宇宙でした。

「現在が正確にわかっていれば、未来を予測できる」という、いわゆるラプラスの悪魔は、こうした古典物理学の常識を究極的に突き詰めていった場合に導かれる結論です。

しかしそれでは、波と粒子という異なる性質を同時に持った光や電子の振る舞いを説明することができません。

そこでボーアはこれまでの物理学の常識を覆し「物事の状態は観測によってはじめて決定される」、つまり「観測するまで物事の状態は決まっていない」というコペンハーゲン解釈を発表するのです。

「未来は決まっていない。あるのは可能性だけだ」というのは、少年漫画のオチみたいで素敵ですが、決定論と因果律を尊ぶ物理学者たちには受け入れがたいものでした。

特にアインシュタインは確率などに頼らず、明確に電子の状態を決定できる隠されたパラメータが存在するはずだと考えました。

例えばAとBの2つの箱があり、片方にだけボールが入っているとします。このときAの箱の中は、蓋を開けようと開けまいと、ボールが「ある」か「ない」かの2つに1つです。

それに対して明言を避けて「Aの中にボールがある確率は50％だ」と言われたら、単にわかんないから確率で誤魔化してるだけじゃないかと言いたくなりますよね。

アインシュタインが指摘したいのはそういうことでした。

彼にとって確率に頼るというのは、わからないから白旗をあげていることに等しかったのです。

そのためアインシュタインは、量子力学が不完全な理論であることを証明しようと、次から次へ思考実験を考案してボーアに戦いを挑みました。

現在私たちがよく知る量子力学の解説の多くは、実はアインシュタインたちが量子力学を否定するために生みだした思考実験が元ネタです。

ここからは、馴染みのある量子力学の話しが数多く登場します。

目次 アインシュタインは量子力学の何が気に入らなかったのか？コペンハーゲン解釈を否定するために生まれた「シュレーディンガーの猫」哲学の決着　ベルの定…

全ての画像を見る

全ての画像を見る

光や電子という、世界の根源的な存在に目を向けたとき、それは粒子と波動という一見矛盾した2つの性質を同時に成り立たせていることがわかってきました。

しかし、古典物理学ではその振る舞いを説明することができません。

放射線や線スペクトルの問題から、物理学者たちは原子の内部がどんな構造になっているかに興味の対象を広げていきました。

しかし、原子の内部構造を考え始めると、原子核やその周りに存在する電子の振る舞いは、やはり古典物理学では成立させることができませんでした。

ニュートン以来、世界を支配する盤石な学問だった物理学は、ここで大きな壁にぶつかったのです。

物理学者たちはもはや、使い慣れた古典物理学には別れを告げ、新しい事実に対応した新理論を作るしかなかったのです。

しかしこうして生まれた量子力学には、さまざまな奇妙な性質がありました。

「物事は確率でしかわからない」「観測するまで物事の状態は確定しない」という不可思議な理屈や、「シュレーディンガーの猫」と呼ばれる哀れな猫の思考実験、そしてアインシュタインの「神はサイコロを振らない」という言葉。

そんな誰もが聞き慣れた不思議な量子力学の議論はすべて、エルヴィン・シュレーディンガーの波動方程式が登場してから、その解釈を巡って始まります。

そして、この問題は、共に量子力学の誕生に貢献してきたアインシュタインとボーアを対立させ、議論を戦わせる原因になるのです。

彼らは量子力学の何を受け入れ、何を拒んだのでしょうか？

目次 2つの量子力学シュレーディンガー方程式は一体何を計算しているのか？それは存在確率の波ハイゼンベルクの不確定性原理コペンハーゲン解釈 2つの量子…

全ての画像を見る

全ての画像を見る

歴史で学ぶ量子力学【改訂版・1】
歴史で学ぶ量子力学【改訂版・2】※本記事
歴史で学ぶ量子力学【改訂版・3】
歴史で学ぶ量子力学【改訂版・4】

20世紀のはじめ、第一次大戦が終りを迎えた頃、物理学は光の「波動説」と「粒子説」の2つの間で揺れていました。

光が矛盾するどちらの性質でも成立してしまったために、皆が困惑していたのです。

1922年、アーサー・コンプトンがコンプトン効果を発見したことで、光の粒子性は決定的なものになっていました。

コンプトン効果とは、電子にX線をぶつけたとき、弾かれて散乱したX線の波長が伸びるという現象のことです。

波長が伸びるということは、X線が電子にぶつかってエネルギー（運動量）を失ったことを意味しています。

しかし波は運動量を持ちません。

この現象を説明するためには、X線が実は粒子であり、ビリヤードの玉のように電子にぶつかって運動量を奪われたと解釈するしかないのです。

こうして、この時代の物理学者たちは、月曜と水曜と金曜は光の波動論を教え、火曜と木曜と土曜は光の粒子論を教えなければならない、と冗談交じりに愚痴るような状況になりました。

それは目で見て頭でイメージできる馴染み深い古典物理学の世界が、崩壊したことを意味していましたが、まだこのとき多くの物理学者たちはその事実を受け入れることができなかったのです。

目次 物質の全ては波パウリの排他原理誰もノーベル賞をもらえなかった電子スピン理論もう一人の天才　ハイゼンベルク 物質の全ては波 物理学の常識では同時…

全ての画像を見る

全ての画像を見る

相対速度は中学校で習う簡単な問題ですが、これは単純な思考実験をするのにいい材料です。

映画のアクションシーンでは、主人公と敵が電車の中で銃撃戦を始めたりしますが、このときふと、次の疑問が頭に浮かぶかもしれません。

「電車の中で発射された弾丸は、地上の傍観者からはどのように見えるのか？　そして電車の速度がどんどん増したらどうなるのか？」

ここでは、理論物理の入口となるシンプルな思考実験をご紹介します。

目次 本物の電車で拳銃を撃つとどう見える？マッハで走る電車内で拳銃を撃ったら？ 本物の電車で拳銃を撃つとどう見える？ 電車の中で拳銃を撃った時の様子…

全ての画像を見る

全ての画像を見る

目次 量子の発見波？　粒子？　浮上した2重性の問題物理学を揺るがしたもう一つの問題　「原子の中身」コペンハーゲン学派の開祖　ニールス・ボーアの登場 …

全ての画像を見る

全ての画像を見る

犬は物理法則をきちんと理解しているようです。

ドイツのウィーン獣医大学（University of Veterinary Medicine Vienna）の新しい研究は、3Dアニメーションで表示されたボールが、物理法則を無視したとき、犬は瞳孔や注視時間などに反応があったと報告しています。

瞳孔や対象の注視時間の延長は、期待と異なる動きがあった場合に見られる反応で、乳幼児などでも確認できるといいます。

研究の詳細は、12月22日付で英国王立協会が発行する科学雑誌『Biology Letter』に掲載されています。

目次 物理法則を理解しているイヌ 物理法則を理解しているイヌ 私たちは物体がどのように動くのかというルールを理解しています。 人間はそれを定式化して…

全ての画像を見る

全ての画像を見る

ここに一つのティーポットがあります。

中に入った飲み物を自分用と相手用に注ぎ分けます。

それを互いに飲み干したところ、自分は何の問題もありませんでしたが、相手だけが毒死しました。

コップには何の仕掛けもしていません。

さて、なぜでしょうか？

その答えは、この不気味なティーポットに隠されています。

これは「暗殺者のティーポット（Assassin’s Teapot）」と呼ばれる一品で、中国で生まれたものです。

同じ注ぎ口から、違う種類の飲み物を注ぎ分けられるので、相手にだけ毒入りドリンクを飲ませられるという。

一体、どんなトリックが使われているのか、以下で見ていきましょう。

目次 「暗殺ティーポット」の中身はどうなってる？注ぎ分けを可能にする物理的メカニズム 「暗殺ティーポット」の中身はどうなってる？ 暗殺者のティーポッ…

全ての画像を見る

全ての画像を見る

核融合技術に1つの区切りが見えてきました。

米国の国立点火施設（NIF）で行われた研究によれば、核融合炉の中枢である燃料部分で、外部からの入力よりも多くのエネルギーを放出することに成功した、とのこと。

これまで各国でさまざまな核融合実験が行われてきましたが、実はエネルギー収支は全過程において常に赤字でした。

つまり核融合を起こすために注ぎ込むエネルギーが、核融合によって生み出されるエネルギーよりも常に大きかったのです。

ですが今回、核融合反応の中枢部分において、ついにエネルギー収支を反転させることに成功しました。

研究内容の詳細は『プラズマ物理学のAPS部門の第63回年次総会』にて発表されました。

目次 核融合反応でついに「一部黒字」を達成！中枢部は確かに黒字だが…… 核融合反応でついに「一部黒字」を達成！ 現在、私たちの使う電力を作り出してい…

全ての画像を見る