小学生のための物理学講座 第１回 その３

〔前回までのあらすじ〕
小学１年生の太郎君は、６５００万年前に暮らしていた恐竜に触りたいとだだをこね、
似非天才科学者である博士に、タイムトラベルの方法を教えてもらうのであった。


・時空の抜け道を通れば・・・！？

太郎「う～ん、じゃあ、過去に行けないんだね・・・。」

博士「いやいや。あきらめるには早いぞ。太郎くん、反粒子を知ってるかね？」

太郎「え～と、真空中で、粒子と反粒子が対生成されて、
　　　対消滅するから真空はゆらいでいるんだって、理科で習ったよ。」

博士「さすがはゆとり世代！！わしの頃は保育園で習っておったんじゃが・・・。
　　　　まあ、ファインマンという人によれば、反粒子は過去へ向かうとされておるんじゃ。」

太郎「え！？過去に行っているの！？」

博士「ふむ、それが、ディラックの海という考え方における
　　　問題点を解決する仮説なんじゃ。」

太郎「はぁ。」

博士「わかりやすく説明しよう。相対論的量子力学という訳分からん考え方において、

フェルミ粒子、すなわち電子とかの普通の粒子の動きを説明するものに、

ディラック方程式というのがあるんじゃ。」

太郎「ディラック方程式を解けば、電子等のフェルミ粒子の振る舞いが分かるんだね？」

博士「そうじゃ。じゃがこの方程式には問題があったのじゃ。
　　　　この方程式を解いておると、負のエネルギー固有値が出てきたのじゃ。」

太郎「負のエネルギー？なんか中二臭いね。」

博士「そうじゃろう。だから問題じゃったんじゃ。
　　　　こんな中二臭いものを神聖なる物理学の世界に蔓延らせるわけにはいかんからの。」

太郎「そうだね。なんか臭いもんね。」

博士「だが、ディラックさんはこう考えたんじゃ。反粒子なるものが存在するからだと。」

太郎「なるほど。んで、なんで反粒子が過去にいくの？」

博士「まあ、数学上のあつかいで、そう考えたほうがいいみたいな感じだから、
　　　本当に過去にいってんのかどうかは分からんがの。」

太郎「なんだ、ただの数字あそびか。」

博士「まあ、物理学者の前でそんなこと言ったら、リンチされるから気をつけなさいよ。
　　　他にもタイムトラベルの方法として、ワームホールや宇宙ひもをつかったものがある。」

太郎「ワームホール？」

博士「ふむ、空間の抜け道みたいなもんじゃ。図であらわすとこんな感じじゃ。」

ワームホールを通れば、光より速く目的地に着くことも可能なのだ！！

太郎「うわ、普通なら100億年もかかる道のりでも、
　　　ワームホールを通れば一瞬でいけちゃうんだね。
　　　でも博士。光の速度は超えれないんでしょう？　」

博士「んまあ、ワームホールを通った場合は、距離がものすごく近くなるんじゃ。
　　　速度が増すわけではない。」

太郎「どこでもドアみたいだね。これをどう使えば、過去にいけるの？」

博士「ふむ。太郎くん。光に近い速度で移動するとどうなるんだったかな？」

太郎「ええと、時間が遅くなるんだったよね？」

博士「ふむ、これを利用するんじゃ。図で表してみようね。」

ワームホールを使えば、過去にいける！？

太郎「うわ！！！？
　　　　なんで、時刻２時のときのワームホールＡから出てくるの！？」

博士「まあ、ワームホールは一瞬、つまり空間だけでなく時間も繋いでいると考えれば、
　　　　こうなるのぉ。」

太郎「すごい！！これを使えば恐竜に会えるんだね！？」

博士「ふ～む。実はこれ、かなり怪しいんじゃ。」

太郎「え？」

博士「この理論には、以下の問題点が生じる。

①そもそもワームホールなんてあるのか？

②ワームホールを光速に近い速度で移動するだけのエナジーを
人類は多分戦争に使っちゃうし、戦争以外では使わないんだろうなぁ。

③ワームホールを人間、というか物体が通ることは可能なのか？」

太郎「順に説明をお願いします！」

博士「まず①について。
　　　ワームホールはまだ見つかってないということ。

　　　　ワームホールはブラックホールの仲間なので、
　　　　もしかしたら存在するかもしれないけど、まだ見つかってないから、

　　　河童やネッシーを使った料理について考えるのと
　　　同じレベルのお話

　　　　なんてことを物理学者の前でいったら、多分やられちゃうんだろうなぁ。」

太郎「なるほど。まだ見つかってないんですね？では②について。」

博士「まあ、なんとういかさ、人間はさ、戦争大好きだからね。」

太郎「たしかにそうですね。では③について。」

博士「ふむ。ワームホールは大まかに言えば時空の歪みなんじゃ。
　　　　だからブラックホールと同じようなもんじゃ。

　　　　そして内部では特異点が真空を分極しているから、
　　　　すさまじい放射線とエネルギーに満ちている可能性が極めて高い。

　　　　また、ワームホールは通常、素粒子レベルの大きさしかない。
　　　　これを人間が通れるくらいの大きさにまで広げるには、
　　　　すさまじい負のエネルギーを必要とするんじゃ。
　　　　そんなもん、本当にあんのかも分からんし、
　　　　あったとしても戦争に使っちゃうから、もう駄目だね。」


太郎「う～ん。
　　もしも人間が戦争をしない生き物だったら
　　可能性はあったんだけどな～。　」


・タイムトラベルの研究


太郎「あ～あ。結局、恐竜には会えないんだね。
　　　もう僕生きていく気力をなくしちゃったよ。

　　　今思えば、そう、花子ちゃんに鼻くそをプレゼントして
　　　ふられた去年の夏、あの時すでに僕は全てを失っていたんだ。

　　　確立されない存在現象のアイロニーと化していた僕を
　　　支えたのがティラノサウルスのナニに触るという欲望だったんだ。

　　　でもその夢も、人類の愚考と性欲によって粉砕されてしまった。
　　　もう、心はいらない、光もイエスも原発もいらないんだ！！」


博士「まあ、そう僻むでない。
　　　現在においてもタイムマシンについて研究している学者はいっぱいおるんじゃ。

　　　コネチカット大学では、レーザーをリング状に配置し、
　　　回転させることで弱い重力場を発生させ、擬似ブラックホールの外周を形成させて、
　　　素粒子を過去に飛ばそうとしておる。」

太郎「へえ～。」

博士「また、タイムトラベルが不可能とする理論はまだ見つかってないんじゃ。
　　　だからあきらめるにはまだまだ早いんじゃよ。」

太郎「そうか・・・。そうだよね。よし！！
　　　僕がんばって学者になって、タイムマシンを作ってみせるよ！！」

博士「そうじゃ！その意気じゃぞ、太郎君！！」

太郎「だから博士！！
　　　まず手始めとして、溜まった宿題を解いてくれませんか！！？」

博士「ありゃりゃ。」


・コラムーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

博士「実は、重力も時間を遅らせるんだ。
　　　だからものすごく重力の強い惑星で暮していて、何年かぶりに地球へ帰れば、
　　　ウラシマ効果が起こるんじゃ。

また、ブラックホールの中心は重力崩壊を起こしていて、いわば重力無限の状態。
しかも特異点だから、従来の物理学の法則が成り立たないんじゃ。
この場所でなら過去や未来に自由に行き来できるかもしれんの。
まあ、そのまえに死んじゃうんだけどね。

あと、今回はタイムパラドックスについてまったく取り上げなかったね。
これは、５１１２が、タイムパラドックスは起きないという考えの持ち主だからなんじゃ。
過去へ飛んだ場合は、パラレルワールドの分岐が強制的に生成されて、
元の平行世界とは異なった可能性の世界に飛ぶからと考えておる。
つまり、通常なら絶対に行くことができないとされていた並行世界に行ける方法が
タイムトラベルというわけじゃな。」


・あとがき

なんか絶対、小学生は読まないだろうな、と思った。

小学生のための物理学講座 第１回 その２

・未来にならいけるか？

博士「鏡以外の方法でも過去を見れることが、分かったね？」

太郎「うん！要するに、その時の情報を持った光が目に入れば、
その時の情報が観測できるわけだね！？」

博士「そのとおり！」

太郎「でも博士。僕は恐竜を見たいのもあるけど、触りたいんだよ？
これじゃ、何億光年も彼方の星を見るのと変わらないよ。」

博士「そうだね。じゃあ、太郎くんはどうしたいのかな？」

太郎「やっぱり、タイムトラベルしかないよ。僕自身が過去に行くのさ。」

博士「時間を行き来したいってことかな？」

太郎「うん。でも博士。本当にそんなことってできるのかなぁ。」

博士「そうだね。ちょっと怪しいよね。
でも太郎君。未来に行く方法は結構いっぱいあるんだよ。」

太郎「え！？」

博士「冷凍冬眠とか、仮死状態での長期睡眠とか・・・、


ああ、あと、夜におんにゃのことイチャイチャしたときも
いつの間にやら朝になっておったりするぞい。」

太郎「なんか寝てばっかだね。」

博士「もっと物理学的なのにしようか？
太郎君、アインシュタインって人を知ってるかい？」

太郎「え～と、たしか相対性理論・・・だったかな？そんなんを考えた人だよね？」

博士「そのとおり。この相対性理論では、いくつかのことが言えるんだけど、
その中に、こーゆーのがあるんだ。
『光の速度に近い速さで進む物体の時間は、遅くなる。』」

太郎「え？遅くなる・・・？」

博士「うん。正確に言えば、動いてるものは全部、
動く速度にあわせて時間の進みが遅くなるんだ。」

太郎「へぇ～。」

博士「これを利用したもので有名なのが『ウラシマ効果』だよ。
図で表してみようね。」

2012年に出発して、10年後に帰ってくると、100年もたってる？

博士「物凄い速度で進むロケットに乗って、２０１２年に地球を出発した太郎君（７歳）。
　　　　太郎君にとって１０年が経ち、地球に帰ると、アラ不思議。
　　　　地球ではすでに１００年も経っていましたとさ。めでたしめでたし。」

太郎「ええ～～！？そんな馬鹿なことってあるの！？
　　　　まるで浦島太郎みたい・・・、そうか！だからウラシマ効果っていうんだね！？」

博士「そのとおり。そしてこの方法を使えば、未来へ短時間で行くことが可能になるんだ。」

太郎「へえ～。・・・うん？ちょっと待って博士。
　　　この現象の場合、いったいどの時間軸が正しいの！？
　　　地球？それとも僕？？？」

博士「あ～、大変いい質問だね。

　　　　最近の大学生にこの話をしても、きょとんとしてるだけで、
　　　　そーゆー、マーベラスな質問をしてこないんだ。寂しいとは思わないかい？」

太郎「う、うん。まあ、そうだけどさ・・・。それより僕の質問に答えてよ。」

博士「太郎君。そもそも正しい時間ってあるのかな？」

太郎「え？」

博士「さっきも言ったように、動くもの全て、少なからず時間が遅れるんじゃ。
　　　今こうして椅子に座っているように思っても、地球は動いとるし、太陽系も動いておる。
　　　銀河系も自転および公転みたいな動きもしておるんじゃ。では宇宙は？宇宙の外は？
　　　いったいどこが止まっておる？
　　　そも止まっている場所の時間が正しいなどと誰が言える？」

太郎「うわ、わかんないよ。」

博士「むずかしく考えることはないんじゃ。
　　　　みんな、それぞれ、異なった速度の時間の中を生きておるんじゃ。
　　　　これが、相対性という考え方なんじゃよ。
　　　　相対性の反対は、絶対性じゃ。絶対領域ではないぞ。」

ニュートンのころの物理学は絶対性、アインシュタインが相対性の考えを持ち込んだ。

太郎「じゃあ博士。具体的に、どれくらいの速度で動けば、
　　　僕にとっての１０年が、地球にとっての１００年になるの？」

博士「うん、それを求める式がこれじゃ。」

本当はもっとカッコいい式なんだけど、小学生のために簡単にしたよ。

太郎「うわ、なに、このグニャンってなったのは？」

博士「ああ、たしか、ログ・・・、じゃないな、え～と、ルート・・・だったかなぁ。
　　　まあ、気にせんでよいわい。

　　　とにかくこの式に当てはめて考えると、太郎君は光速度の約99.4%の速度で動けば、
　　　太郎君が１７歳になったときには、地球は１００年たっておるわい。
　　　まあ、地球を静止系として考えればの話じゃがな。
　　　ああ、あと加速とか減速もしなかった場合じゃよ。これは。」

太郎「え～と・・・。そんなに速い乗り物ってあるの？」

博士「乗り物じゃなければ、そーゆー粒子は結構多いんじゃが。
　　　まあ、いずれにせよ、そんな速いものに乗ったら、人間なんかあっという間に
　　　死んでしまうのぉ。」


・光の速度を超えれるか？

太郎「う～ん、まあ、理論的には、未来へはいけるんだね？」

博士「そうじゃの。光の速度に近づけば、それだけ未来にいけるんじゃ。」

太郎「じゃあさ、博士。どんどん速度を上げていって、
　　　　光速のたとえば１０万倍とかで動いたらどうなるの？」

博士「ああ、いい質問だね。
　　　　つまり光より速く動いたらどーなるのかってことだね？
　　　　どーなると思う？」

太郎「う～ん。やっぱりもっと未来に行っちゃうのかなぁ？」

博士「う～ん、これにはいろんな説があるんだけど、
　　　　一般的にはよく、過去に行く、と言われるね。」

太郎「え！！！？過去に！！？」

博士「まあ、そうらしいね。
　　　　でも光速（真空中の）を超えることは不可能とされているんじゃよ。」

太郎「え！？どうして？」

博士「相対性理論の中に、動くものは質量が増える、というのがあるんじゃ。」

太郎「え！？質量が増える！？」

博士「正確には、質量が増えるというより、加速されにくくなっていくんじゃ。
　　　　光速に近づけば近づくほど、その物体はどんどん加速されにくくなっていく。
　　　　つまり、光速になろうとすれば、
　　　ものすごいエネルギーが必要になるんじゃ。」

太郎「ものすごいってどれくらい・・・？」

博士「う～ん、無限じゃな。」

太郎「それじゃあ、無理だね。

　　　・・・うん？ちょっと待ってよ博士。
　　　じゃあ、どうして光は光速で動けるの！！？」

博士「それは、光の粒、すなわち光子に質量が無いからじゃよ。
　　　質量０の物体は、光速になることができるんじゃ。」

太郎「じゃあ、光速も超えれる！？」

博士「じつは、だめなんじゃ。光の速度は不変なんじゃよ。
　　　まあ、媒体内を通ることで減速はするんじゃが、
　　　光速をこえることはないんじゃ。図に表してみよう。」

光は光速以上には加速できない？

博士「太郎くん。
　　　時速１００キロで走る車から、野球選手が時速１２０キロでボールを前方に投げたとしよう。
　　　このとき、車の外で静止している人から見たボールの合計速度はいくらになるかな？」

太郎「う～ん・・・。１００＋１２０＋重力加速度・・・かなぁ・・・？」

博士「太郎君、重力は無視してくれ。あと無視しなかったとしても、足すのはなんか変じゃ。
　　　１００＋１２０でいいんじゃよ。」

太郎「ああ、そうか。
　　　　どうも僕、計算式には絶対に重力加速度を入れなくちゃいけないような気がするんだ。
　　　　僕、変なのかな？」

博士「変じゃよ。」

太郎「・・・」

博士「つまり、車の外にいる人にとってボールは時速２２０キロで飛んでいるように
　　　見えるはずじゃ。

　　　さて、今度はボールの変わりに、光を前方に発射してみよう。
　　　このとき、車の外にいる人には、一体どれくらいの速度で光が飛んでいくように
　　　見えると思う？」

太郎「え～と、１００＋光速かな？
　　　なんだ、光の速度を超えちゃった。」

博士「うん、そう思うよね。
　　　　でも違うんだ。正解は光速のまま。」

太郎「え？」

博士「車に乗っている人にとっても光速だし、車の外にいる人にとっても
　　　光速なんじゃ。」

太郎「うわ～。気持ち悪いね。」

博士「もっと正確に言えば、この世界でもっとも速い速度が光速なんじゃ。
　　　この世界で移動する限りは光速以上には
　　なれないとされておるんじゃよ。」

小学生のための物理学講座！第１回

小学生のための、嘘っぱち物理学講座

博士「やあ、みんな。ワシは博士じゃ。今日も小学１年生の太郎くんと
いっしょに物理学について勉強するぞい。
でも嘘が多いし、計算も適当だからあんまし信じちゃだめだよ。
博士との約束だよ。」

第1回　～タイムトラベルは可能か？～

・イントロダクション的な何か

太郎「博士。ぼく、相談があるんだけど・・・」

博士「うん？なんじゃい？太郎くん。」

太郎「うん、ぼく、ティラノサウルスに触りたいんだ！！」

博士「ええ！？Ｔ－レックスかい？化石なら、博物館にいけばあるぞい」

太郎「いや～、生きているレックスに触りたいんだよ。
博士、なんとかなりませんか？」

博士「うん、じゃあ、少し考えてみようか。」

・タイムマシンは可能なの？

博士「では太郎君。具体的に、生きている恐竜に触るためにはどうしたらよいと思う？」

太郎「う～ん、やっぱりタイムマシンに乗るしかないのかな～。」

博士「タイムマシン？つまり時間を逆行するわけだね？」

太郎「うん！そうすればいいんじゃないのかな？


でも博士。タイムマシンって本当に作れるのかな？


未だにできてないみたいだけど・・・。」

博士「そうだね。まだ完成してないね。
でもあきらめずにどうすればよいのかを考えてみようか？」

・鏡の中のあなたは？

博士「太郎君。これを見てくれたまえ。」

太郎「うん？これは・・・？鏡だね、博士。」

博士「そう、鏡だ。これにうつっているのは？」

太郎「僕だね。」

博士「うん、そうだね。でも本当にそうなんだろうか？」

太郎「え！？気味悪いこと言わないでよ博士。」

博士「いやいや、これは重要な問題なんだよ。」

太郎「どうゆうこと？」

博士「簡単に言おうか？この鏡に映っているのは、今の君でしょうか？」

太郎「え？そうなんじゃないの？」

博士「うん、そう思うよね。でも実は違うんだ。図で表してみよう。」

鏡を見ることは、過去を見るということなり。

博士「太郎くんが鏡の中の自分を見るときに、こーゆことが起こっているんだ。


①太陽とかの光源から出た光が、太郎くんの顔に当たって跳ね返る。

②その跳ね返った光は、太郎君の顔の色の情報を持って、鏡へ。

③鏡で太郎君情報光は反射、そして太郎君の目に入り、見える。」

太郎「う～ん。これがどうしたの？理科で習ったよ？」

博士「そうだね。じゃあ、ここで質問。
光の速さは？」

太郎「え？・・・わかんないな～。一瞬なんじゃないの？」

博士「残念。答えは秒速３０万キロ（299792458 m/s）。」

太郎「え？全然わかんないや。どれくらいの速さ？新幹線くらい？」

博士「いや、もっと速いよ。一秒間に地球を７周半するんだ。」

太郎「うわ、意外と遅いんだね。」

博士「う～ん・・・。新幹線よりは速いけどね。
では、更に質問。ここまでで、光は有限の速度であることが分かったね？
じゃあ、また鏡の図を見てみようか？もう分かったね？」

太郎「・・・。ああっ！そうか！！鏡を跳ね返ってる間に時間がたってるんだ！！
だから、鏡に映ってる僕の顔は、ほんの少し前の僕なんだね！！？」

博士「そのとおり！」

太郎「おおおお！！じゃあ、恐竜が見えるんじゃないの！！？」

博士「うんうん、どうしたらいいのかな？」

太郎「こうするのさ！」

太郎君の考えた、過去をみる方法

太郎「恐竜がいた時代の光が、すっごい遠くの鏡で反射して
再びその地点に戻ってくるのに、すっごく時間がかかって現在になってれば、
恐竜が見える！！！」

博士「うん、文がごちゃごちゃしててよく分かんないけど、そうゆうことだね。」

太郎「これで恐竜を見ることは可能？」

博士「う～ん。理論的にはかなりきついね。
まず、そんな大昔の光が反射して帰ってくる間に、
光のパワーが凄く弱くなっていて、観測できないってことだね。
Ｔ－レックスがいた時代は、約６５００万年前。
ってことは、往復614947480717752000000〔km〕※の位置に鏡があることになるね。
こんなに遠くの光は、恐竜レベルの大きさのものの情報を持って動けないよ。」

太郎「そっか・・・。残念。」

※テキトー計算だし、ウィスキー飲みながら書いてるから信用しちゃだめだよ。

・宇宙の構造

博士「でも、太郎君が言った事は全然間違ってなんかないんだ。
太郎君、宇宙はどんな形をしてると思う？」

太郎「え？無限の広さなんだから、形なんてないんじゃないの？」

博士「う～ん、宇宙＝無限の考えは確実とは言えないんだ。


実際、宇宙の大きさは有限だと考える科学者は多いよ。
んで、科学者達は宇宙の形を色々と考えているんだけど、
そのなかに、トーランス宇宙というのがあるんだ。」

太郎「うわ、ドーナッツみたいだね。」

博士「そうだね。この宇宙では、光が宇宙の中を一周できるんだ。」

太郎「え？じゃあ、昔の太陽系の姿も・・・？」

博士「見えるかもしれないね。」



続きは次