量子論の基本と影響
ざんていラジオぉ。 ぺん銀です。
ねむい猫です。
今日は、もっきんさんのおと。 はい、もっきんさんのおとのコーナー。
186です。 186ページ。
タイトル、世界のルール❶、量子効果。 量子効果。
量子力学の量子ですね。
はい。2点気になるところがあります。
はい。
世界のルール❶、中二病全開なんだけど。
そんな、わからないです。まだ読んでからじゃないと。
あと、1ってとこね。
うんうん。
1なんだっていう。
うんうんうんうん。
シリーズものですね。
はい。楽しみにしといてください。
はい、わかりました。
はい。
いってみよう!
量子論と聞いて、何をイメージしますか?
難しい。
科学やSFをちょっとかじった人なら、シュレディンガーの猫とか、平行世界を連想するかもしれない。
うん。
ミクロの世界の話だと知っている人もいるでしょう。
はい。
ともかく、私たちの日常生活とは何の関係もなさげで、物理学者やマニアだけが理屈をこねこねして楽しんでいる学問だとみなされてそうです。
そうですか?
はい、もう何にも関係ないです。
あ。
なんかやってんなっていうね。
こねこねこねこね。
うん。
わかりました。
あ、ペンギンさんは何かありますか?イメージ?
まあ、俺としては一応楽しく量子論と付き合ってますよ。
えー。
例えば、昨日やった自説、ハッタリ自説も量子論のところからエッセンスを抜き出して作り出してるからね。
へー、そうなんですね。
まあ単純にあとSFが好きなので、まあそういう感じ。楽しんでますって感じ。
SFなんだね。平行世界とかそういうこと?
うん。
平行世界はSFってことなの?
まあ一応その領域に入るんじゃない?サイエンスフィクション。
じゃあ、一旦フィクションってことでいいってことですか?
として楽しんでる人もいるってことだね。
うーん、なるほど。
はい。
実は量子論は私たちの生活に深く関わっている。
な、なんだって?
ま、まさか。物質の性質。
なぜガラスが透明で金属はキラキラしているのか。
なぜ氷は簡単に溶け、塩はすぐ水に溶けるのか。
物質に関するなぜに答えるには、ほぼすべてのケースで量子論の知識が必須になる。
必須なんだ。
技術。パソコンやスマホの半導体は量子論に基づいて設計されている。
うーん、これはよく聞くね。
秩序。
世界になぜ秩序が存在するのかという根源的な謎も、原子が規則的に配列し、形を持つ理由も量子論なら説明できる。
できるの?
秩序と形を説明できる。
これこそさっき言ってた世界のルールってことでしょ。
量子論は世界とは何かを理解する上で不可欠。
ビックリマークってことでね。
それなのに量子論の理解は難しい。
量子論の説明を聞いても、何が起きているかを具体的にイメージできないことが原因では?
うん、確かにイメージできない。
ニュートン力学の限界
というわけで、なるべくイメージしやすい説明の仕方を頑張ってみます。
おお、素晴らしい。
いいですね。
基本的な考え方。
物に形があるのは原子が波であり、安定な共鳴状態を形作るからと考えると理解しやすい。
なるほど。
ちょっとどういうことですか。
原子が波。
基本からぶっ飛ばしてきたね。
基本から。
安定な共鳴状態を形作る。原子が波。
ちょっとわかんないですけど進みます。
①物質の形と量子論。
形のある物質は宇宙では例外。
物質には形があるのが当たり前という感覚は、地球の表面にひっついているあなた方人類の偏見です。
あなた方人類ね。
誰なの、この人。
宇宙から語りかけられています。
なるほど。偏見なのだと。
わかりました。
宇宙の大部分は形のないものばかり。
プラズマ。イオンと電子が自由に動き回る状態。
暗黒物質。
電荷を持たないガス状の物質。
形があるもの。
星。
球形。
形や銀河。
渦型。
くらいのもの。
確かに大雑把に見たらね。
丸と渦しかないね、宇宙には。
丸と渦。
じゃあなぜ地球上ではものが複雑な形を長時間維持し、さらに生命体のような細密な組織まで作れてしまうのか。
この問いに答えるのが量子論です。
量子効果の重要性。
量子論によって説明可能になる物理的な効果、イコール量子効果。
は物質に関するあらゆる現象に見られる。
見られるんだね。
ほぼほぼ量子効果です。
物質に形や大きさがあることも量子効果。
この世に精妙なものや出来事があることも量子効果。
ほぼほぼ全てだと言いたいわけだね。
なるほど。
②砂から生命は生まれない。
ニュートン力学の限界。
ニュートン力学は物体が運動方程式に従うという理論。
惑星運動など決まりきった動きの説明には便利だが、複雑な構造を生み出す現象に対してはほぼ無力です。
まあ確かにね。
量子効果なしでも形は現れる。
量子効果が無視できるスケール、ニュートン力学が支配する世界でも、ある種の形が現れることがある。
その典型例が風紋。
風紋。
風紋のメカニズム。
①砂地に同じ向きの風が吹く。
あ、ここに今下に砂漠の写真が載ってるね。
うん。
これが風紋だね。
これよく見るよね。
うん。
映画とかで。
うん。
はいはい。
②風速が上がると、
砂粒でいいんじゃない?
④この連鎖が続き、
表面にうねのような形が何筋も形成される。
⑤風が吹き続けると、
盛り上がりの頂上が崩れ、
風紋の高さがあまり変わらないまま、
筋模様を刻々と変化させる。
なるほど。
風紋はなぜ生命になれないか。
なれないよね。
風紋は自然が作る美しいアートのようだが、
風紋が進化を遂げて、
風紋生命が誕生する可能性はない。
ないね。
その理由は、風紋は安定した構造を形成できないから。
風紋は風に飛ばされて着地するという切な的な生合の繰り返しで、
刻々と変化し続けるばかりで、
二度と同じ形には戻らない。
生命の基本単位と構造形成
確かに。
物理学で言う構造の安定性とは、
変化しない堅牢さではなく、
変化を加えても自然に元に戻ることを意味します。
なるほど。
このなんか、風紋はなぜ生命になれないかって言ってるのがもうなんか、
当たり前すぎて。
なんで疑問に思ってるのかもわかんない。
まあ、読んでみたらわかるんじゃない?
おお。
まるさん。
はい。
分子による安定な構造の形成。
はい。
例として、
脂質分子が水中で安定な膜構造を形成する仕組みを見てみましょう。
見てみましょう。
水分子と脂質分子の特性。
はい。
水分子。
酸素1個と水素2個からなり、
酸原子のなす角度は104.5度で共通。
水素が正に、酸素が負に対伝するため、
天下を帯びた他の分子を電気的に引き寄せたり遠ざけたりする作用がある。
うん。H2Oだね。
うん。
脂質分子。
はい。
Oが2本に分かれたオタマジャクシ型。
はい。
浸水器?
うん。
頭部。
あー、頭部ね。
水になじもうとする原子集団。
ほう。
疎水器。
はい。
イブ、オッポの部分?オタマジャクシの。
オッポだね。
水と反発して離れようとする部分。
ほう、なるほど。
構造形成の仕組み。
一つの分子内に異なる傾向。
さっきのやつね。
浸水性と疎水性が共存している。
そしてすべての脂質分子が全く同じ性質を持つので、
水中で集団として水分子と相互作用し構造を作る。
なるほど。
としますね。
二重層構造に端っこがあると水との相互作用で不安定になるため、
分子群は端のない閉じた局面になろうとする。
その結果膜に閉じ込められた領域、
生命の基本単位である細胞、セルが形作られる。
ほう。
何言ってる?
急に細胞の話になったね。
細胞、基本単位。
脂が水の中にポチョンと落ちたら、まんまるになるじゃないですか。
それはこいつらが頑張ってるから、ってことでいいかな。
端のない閉じた局面ってことですね。
そう。
この力が細胞の膜みたいなのも同じことをしてるんじゃないかっていう話だね。
その形で安定すると。
そう。そして中に世界、閉じた世界を作れるってことだね。
構造安定性と生命の存続、この質質二重相膜が細胞の境界となり次のような役割を果たす。
はい。
内部環境の維持。
はい。
物質の移動を制限し、膜の内側と外側で溶液濃度を変えることも可能。
うん。
これにより、外部では起きにくい化学反応も内側で進行したりする。
うん、なるほど。
構造安定性。
はい。
力を加えても変形はするが、基本的な構造を内側と外側に分ける箱区分はなかなか壊れない。
まあね、元に戻るからね。
再起的修復。
出た、再起。
うん。
光合成のメカニズム
例え部分的に穴が開いても、質質分子の特性、浸水性と疎水性によって自然と穴を塞ぐように分子が移動する。
うん、確かに。
この再起的な構造安定性があるからこそ、細胞は存続が可能となり、生物は生きられるのです。
生きられるのです。
何かしらの力で、ある形をキープしてくれることには、俺らは形をなせないもんね、当たり前だけど。
みたいよ。
はい。
はい。
④
はい。
生命を駆動する精密機械。
はい。
基本的に生命の機能は、脂質二重膜によって、外界と切り離された安定した環境の中で複雑な分子が一連の化学反応を行うことで実現されています。
⑤
光合成。
出た。
光合成は光のエネルギーを有機物の化学エネルギーに変換するプロセスって言って、何か書いてある。
なんか眠くなってる?ねむさん大丈夫?
眠くなってない。
眠くなってない。
はい。
光合成は、細胞小器官の揚力体内部にあるクロロフィルが光を吸収し、構造変化を起こすことから始まる。
ほう。
クロロフィルは五角形のリング4つがマグネシウムを取り込んだ部分と長い作業部分で構成されている。
ほう。
マグネシウム、炭素、窒素、要素などの原子100個を超える巨大分子。
でかいのね、クロロフィルって。
この分子が光を吸収すると、マグネシウム放出や電子の状態変化などを経て、最終的に光を安定化した化学エネルギーに変換する。
ATP。
ATP聞いたことあるよ。
アデノシン酸リン酸。
アデノシン酸リン酸。
ATPは神経交付や筋肉の収縮など、エネルギーが必要な活動で多くの生物が利用している。
うん。
アデノシンにリン酸が3つ結合した構造で化学エネルギーを蓄えている。
ほう。
酵素の作用でADP、アデノシンにリン酸とリン酸に分解されるときにエネルギーを放出する。
なるほど。
ADPは使い捨てではなく、ご飯でエネルギーを補給することで再びATPに戻る。
おお。戻るんだ。
この再起構造を持つため、ATPは再利用可能なエネルギー貯蓄装置として生命活動を支えることができる。
すごいね。
うん。
アデノシン酸リン酸すごいね。
うん。
再生可能エネルギーだね。
うん。
へー。ご飯食べたらいいんだ。簡単だね。
うん。
光合成に限らずあらゆる生命活動の根底には、巨大分子が構造や結合の仕方、過去回路を変えながら複雑に変化する過程があります。
分子機械の効率性
うーん。なるほどね。
うん。
まあ勝手にやってくれてるんだよね。
ATP、ADBを繰り返してくれて、それで俺らが動けると。
うん。
ありがとう。はい。
分子機械の効率、人の技術と比較。
はい。
多数の原子が結合した巨大分子は精密機械として機能し、その仕事効率は人間の技術をはるかに上回っている。
なんですって。
自動車のエンジン、ガソリン、炭素化合物の化学エネルギーを利用する点は、
生物と共通するが、爆発という荒っぽい過程で運動エネルギーに変換するため、
エネルギー効率はせいぜい30%程度。
あー、無駄が多いってことね。
うん。
無駄に爆発させてるってことね。
うん。
バクテリアの分子モーター。
細胞膜内外のイオン濃度差を利用して、フィラメントをプロペラのように回転させる。
この分子モーターはイオンの持つエネルギーをほぼ100%活用している。
なんですって。
バクテリア。
無駄がない。
すごい。
生命活動を支えるこれらの巨大分子の精密な機能も、
人間はまだ作れたりはしないが、量子論である程度の説明はできます。
できますって言い切ったね、この人。
次回は原子の謎に迫ります。
ありがとうございました。
ありがとうございました。
だいたいわかったよ。
え、ちょっと何言ってた?
待って待って、これ。
読んでったよね。
量子の効果の話ですよね。
うん、そうだね。
確かにそこまで言ってないね。
言ってないってことか。
よく考えたら。
その分子が細胞を作れる仕組みのことを1mmも説明してないね。
そこの説明に量子効果が入ってくるんだと思うんだけど、
今回始まってないです、これ。
おー。
まだ。
興味を持たせるためにこの①第1章がある感じ。
なるほど。
だね、これは。
H2O1つ取っても、なんで原子、H2Oが何を持って引っ付いてんだっていう。
でも俺は未だに分かんないけど。
H2Oがなんで合体するのか。
私はなんでそれを考えなきゃいけないのかも分かんないんだけど。
おーい、そっからかーい。
いや、知りたいよ。
考えなきゃいけないっていうよりは、知りたいんじゃない?
知りたい?
あとは。
知りたくって、それを説明するのに量子論。
だったら説明できるようなのか、
説明するために量子論っていうのを作り出したようなのか。
うんうん。
なんなんだ、こっちなんだ。
あ、そこは結構微妙だと思う。
ただ、最初にも書いてあったように、スマホ使ってるよね、みたいな。
君たち。
それには量子論が使われてるんだから。
知ろうとしてもいいんじゃない?みたいなことじゃない?
なんで半導体がうまく動くのか。
知りたくない?みたいな。
知りたくない。
多分だけど、分かる気がしないから。
分かる人がやってくれてるから大丈夫じゃない?と思ってる。
それはよくある。俺もそうだもん。
うーん、だって分かんないもん。
いやいやいや、例えば根源的な。
なんでガラスが透明なのかとかは気にならない。
あー、気にしたことなかった。
金属がキラキラしてるのはなぜか。
なぜって思ったことなかった。
そうか。
だからこの文章を読んだ時に、そういうことを疑問に思う人がいるから、
調べたり研究したりする人たちがいるんだなと思って。
そうだね。
気になってしょうがないらしい。生まれつき。
世界を便利にしようとかいう前に気になるみたいな。
副産物として便利になっちゃいましたみたいな。
副産物として便利になっちゃいました。
もちろん途中で便利にしようと思うのは思うだろうね。
気になって研究してたらこれ使えるんじゃねってなって、
作っちゃいましたみたいなのはあると思うよ。
ただこう便利の方にだけ突き進んでる人たちと、
気になって調べたいだけの人たちと、
分かれてる部分もありそうじゃない?
いっぱいあると思う。
その説明自体がエンタメ化してる場合もあるよね。
こんなことが起きてるんです。
面白いみたいなのはYouTubeにも上がってるわけじゃないですか。
再生数が稼げるコンテンツとして一応成り立っているよね。
科学が。
何が書いてあるか、何を説明されてるかが分かんなくって、
最後まで読めないという。
これは私が一人で読んでても、
そういうことか。
分かんないから、一緒に読んでもらおうと思って。
この会が開かれたわけか。
そういうことでした。
なるほどね。
科学の神秘
ガンダムと似てない?
似てる?
ガンダムを一人で見る気はないと。
話してくれるなら聞くし、楽しめるし、
理解もちょっとはできるようになるみたいな。
そんなの今感じたよ。
そうだね。
なんかだって今、
この油が水に入れたら膜を作って丸くなるよねっていうのを、
私これ一人で読んでる時に何の状態のことを言ってるのかとか、
分かってなかったもん。
ドレッシングとかだよ。
ミクロの世界が出てきて分かったようじゃないの?
分かんなくなったんだよね。
で、分かんなくなった例が、一つがシュレディンガーの猫なんだよね。
なんか、ソリューシって知ってる?
今一番ちっこいとされている玉のことだね。
でも、ソリューシは粒であり波であるっていうのがわけわかんないよね。
でもこれは事実らしくて、そこがわけわかんないから、量子論がわけわかんないんだよね。
でも、粒であり波であるを納得している人には、分かってるんだよね。
だいぶ分かってる。だいぶ分かってるんだけど、全部分かってるわけじゃないわけよ。
粒であり波であることは分かってるんだけど、なんで粒であり波であることなんかは分かってないみたいな。
それの動きを計算したいわけじゃん。わけないよ。
動きを計算したい。
物理っていうのは、動きを計算したいわけないよ。
したいんだけど、計算が合わないことが多いわけよ。
計算が合わない。
なんでだろう、なんでだろうって悩んでます。
間違ってんじゃないの?
間違ってる、たぶん、どっか。どっか間違ってる。
もしかしたら、粒であり波であるっていう考え方自体が間違ってる可能性がある。
間違ってんじゃない。
まあ、たぶん、一生かけても足りないくらいの楽しさがあるんだろうね、謎解きの。
分からないことを、とにかくどうしても分かりたくて、そして、どうしてもなんとか論で説明したくて。
量子論と素粒子の探求
そうそう、なんとか論でね。
で、量子理論ですべてが説明ができますと言い切りたい。
完成させたいんだろうね。統一理論みたいなのを作りたいわけよ。
この式一つで全部説明できますみたいな。
なんでみんなこんな勉強熱心になっちゃったんだろうね。
でも、昔からいて、なんで地球はあるんだろうとかって思ってる人が、神を作ったりしてたわけだから。
ずっとやってるんじゃない?人類がこういうことを。
説明したい人っていうのが現れたんだろうね、昔。
昔は分かった人たちばっかりだったんよ。
特に宗教とかだと、もう分かりました、もう決まってますと。
世界はこうこうこういうものですから、こうしてくださいと。
はい、分かりましたと。疑いませんと。
それだと良かったんだけど、疑い始めたよね。
神様いないだろう?地球は宇宙の真ん中じゃないだろう?みたいな。
で、最後、人間はホルモンで動かされてるだろう?みたいな。
そうなってくると、もう人の言うことを信じられないよね、まず。
動かされてる?
ホルモンバランスですね、みたいなことになってくると。
そうなると、偉そうな人いないと、物事が確定しなかったんだよね。
言い切る人、教会の人とか。
でもその人間すら、ホルモンバランスですか?になってくると、どうしようもないよね、みたいなことになってきて。
それはそれで、研究しがいがあるよねってことにはなるよね。
どういうことなの?って思ってるわけじゃない?今多分。
で、みんなYouTubeやり始めて、ドーパミンとはこういうものです、とか言ってるんだけど、
分かってないよねっていう感じだよね、厳密には。
でも、めちゃくちゃ頑張ってる、今、みんな。一昔前まではそんなことはなかった。
会社に勤めて、マイホームを買って、定年で、紅白見て、っていう感じだったのに、今はもう、あでのしんさんりんさんですわ。
なるほどね。
元の、これの元の、それまた、これの元のっていうのが分かってきて、
うんうん、そうだね。
じゃあ、これは、何なの?みたいなところの研究をしてると。
そう。どうやら、素粒子が、もう元の元の元だろうと、というふうに一応して、量子論は展開されてるんだけど、
もしかしたら、それが元じゃなかった場合に、量子論は全部崩れるね。
残念ながら。素粒子より小っこいやつが現れると、困ると思いますよ。
困りますか?
困ると思う。え?ってなると思う。え?ってなる。
ちょっとなんかさ、隠してる人いると思って、おーやめてーってなって。
見なかったことにしようっていうね。
わからないことはもうありません。じゃないのがいいね、なんか。
確かに。夢があるよね、まだ。
いや、別に夢はないけど。
夢はない。ないんだ。
夢って何?
結局、夢につなげて考えるよね、よく考えたら。
なんで?
SFとかさ、スターウォーズとかさ、ワープとかするじゃん。
あれは、一つ上の物理学が常識になった世界なわけ。
そうでなくても、ガンダム?
ガンダムの世界とかも、多分もうあれは量子論的には、だいぶ先に進んでないと、コロニーとか作れないはずないよ。
そういう宇宙への夢とか、そういうのにつなげて、SFが作られることが多くて。
そういうのを見るとワクワクするっていうのが夢だね。
なんかそういうのと、量子論?
わかんない。
どういう、何が結びついてるんだか。
なるほど。単的に言うと、その素粒子はワープするんだという観測結果が出てるわけ。
なんでそんなの観測できるの?
見間違いじゃね?
見間違いでもいいかもね。
ワープ、観測結果がありますと、素粒子はワープすると。
じゃあその集合体。
その秘密を解き明かせれば、宇宙戦艦をワープさせることができるんじゃないかということよ。
あと時間も関係してて、タイムマシーンとか、そういうのにもつながってくるわけよ。
超高速すぎて見えなかっただけじゃなくって、どうしてもワープなの?
ワープみたいな簡単な感じじゃないらしくて。
でもさ、めちゃくちゃ小さいものなんでしょ?
もしちゃんと正式にワープしてるんだとしても、それが戦艦になったり、人間になったりするには、相当難しいね。
難しいね。でもそういうことを考えるのが楽しい人がいて、
例えばSFの一つでは、人間をある場所から場所にワープさせることができましたと。
それは途中、素粒子まで分解してると、人間を。
で、飛ばして合体させるんだと。
それは、果たして本人なのか?みたいな問題とかを考えたりするのが好きなんだよね。
本人なのか?
一回バラして組み立てちゃったじゃん、みたいな。
それって本人?みたいな。
でもなんか、この続いてるのがすごい良い。
続いてる?
SFと夢の関連性
次回は原子の謎。
そういうことに、いい話として終わりましょう。
はい。
では。
はい、では。
