【総集編】「光」の奇妙すぎる性質と、最新技術で解明された新事実
Summary
TLDRこの動画は、光の性質と最新の研究について解説しています。光の速さが非常に速く、波動と粒子の両方の性質を持つこと。最近の研究で、光を物質の中に一定時間トラップすることに成功した等。光に関する基礎的な概念と最近のトピックを扱っているため、科学に興味がある視聴者に向けた内容となっています。
Takeaways
- 😲 光の速度は1秒間に30万kmで、地球を7周するほど速い
- 📏 波長が短いほど高エネルギーの電磁波で、X線やガンマ線がその例
- 🌊 光には波動性があり、干渉・回折などの性質がある
- 👀 光電効果など、光の粒子性も重要
- 💡 光には波動と粒子の二重性がある
- 🔋 光子は素粒子の一種で、電磁気力を伝える役割がある
- ↔️ 光は物質と相互作用し、吸収や反射が生じる
- ⏱ 微少ながら光を物質中に停止させることが可能に
- 🎥 10兆FPSのカメラで光の動きをスローモーション撮影できる
- 😊 光に関する研究は量子コンピューターや医療への応用が期待される
Q & A
光の速さはどのくらいですか?
-光の速さは秒速約30万kmです。1秒間に地球を7.5周する速さです。
なぜ光の速さはどの観測者から見ても同じですか?
-光の速さの普遍性は特殊相対性理論の基本原理です。光子の速度は常に一定で、観測者の運動状态に依存しません。
光は波動性と粒子性の両方を持っているということの意味は何ですか?
-光電効果などの現象は、光が粒子(光子)としての性質を持つことを示しています。一方で、ヤングの双縞実験などは光の波動性が証明されています。光はこのように波動と粒子の両方の性質を併せ持っています。
なぜ物質中を通ると光の速さが遅くなるのですか?
-物質中の光は原子の電子と相互作用するために速度が低下します。電子を振動させながら進むため、真空中より速度が遅くなります。
光の反射と吸収の違いは何ですか?
-反射の場合、光は物質の電子に一瞬吸収されますが、すぐに再放出されます。吸収の場合は光のエネルギーが物質に取り込まれ、再放出されることはありません。
10兆FPSのカメラで撮影した光の動きがゆっくり見えるのはなぜですか?
-10兆FPSだと1秒間に100億コマの映像を記録できるため、それを通常のムービーのように30FPSで再生すると、光の動きが超スローモーションのようにゆっくり見えるのです。
なぜ光の速さが宇宙の速度の限界なのですか?
-相対性理論によれば、光速度は物理定数であり、質量を持つ物体が到達できる速度の絶対的な限界です。したがって、この宇宙には光以上の速度で移動可能なものは存在しません。
量子コンピューターと光の関係は何ですか?
-量子コンピューターの量子ビットの情報保持時間を伸ばすために、光の状態を1分間程度保持できる技術が必要とされています。これが実現すれば、量子コンピューターの実用化につながる可能性があります。
10兆FPSのカメラは普通のカメラとどれくらい違うのですか?
-10兆FPSのカメラは1秒間に1000億回もシャッターを切ることができます。これは普通のハイスピードカメラの100万倍以上の性能です。研究用のカメラは市販品とは桁が異なる性能を持っています。
超ハイスピードカメラはどのように科学技術の発展に貢献するのですか?
-光と物質の相互作用を詳細に撮影できるため、材料開発や医療分野での応用が期待されています。次世代の顕微鏡の開発にもつながる可能性があると考えられています。
Outlines
😀光の性質と真実について
光は高速で移動し、観測者の運動に関係なく同じ速さに見える。光には波動と粒子の両方の性質があり、光電効果などの現象は粒子性によって説明できる。光の周波数によって性質が異なり、スペクトルから天体の情報が得られる。
🌊ヤングの二重スリット実験
1800年代にヤングが行った実験で、光を二つのスリットから通過させると干渉縞と呼ばれる模様がスクリーン上にできる。これは光が回折と干渉という波動の性質を示している。
💡光電効果から光の粒子性
金属に光を当てた時に電子が飛び出す光電効果は、光の強さよりも周波数に依存する。これは光に粒子性があり、一定のエネルギーを持った光子によって説明できる。
📡電磁波の性質と利用
光や電波などの電磁波は周波数と波長によって性質が異なる。赤外線は熱を感知し、電波は回折により遮蔽物の後ろまで届く。スペクトルからは天体の情報が得られる。
🌈光の反射・吸収のメカニズム
光が物質に吸収されたり反射したりするのは、光と電子の相互作用による。この性質の違いによって、物質の見え方や色が変わってくる。
📹超高速カメラで光を撮影
光をスローで撮影できる10兆FPSのカメラが開発され、光が反射する瞬間などが捉えられた。この技術は科学技術の発展に大きく貢献する可能性がある。
Mindmap
Keywords
💡光
💡電磁波
💡波動
💡粒子
💡高速度
💡反射
💡停止
💡撮影
💡観測
💡応用
Highlights
Light travels at an extremely fast constant speed of 300,000 km/s in a vacuum
Light exhibits both wave and particle properties - this wave-particle duality is a fundamental concept in quantum mechanics
Einstein explained the photoelectric effect by proposing that light has particle properties in the form of photons
New ultra-high speed cameras capable of trillion frames per second can capture light propagation in extreme slow motion
Transcripts
どうも宇宙やばチャンネル中の人のキャベ
です今回は光とは何かというテーマで総集
編の動画をお送りし
ます資格的な情報を頼りに生きている
私たちにとって光は欠かせない存在
ですそんな日常でありふれた存在である光
ですがその性質を分析していくと日常的な
感覚とは書き離れた興味深い事実が明らか
になってき
ます本動画ではそんな光に関する基本的な
性質と最新技術で解明された真事実につい
てまとめていきたいと思い
ます高速という特殊な
速度光は空中を速約30万kmという速度
で進みますこれは1秒間で地球を7周反
する速さであり人間スケールではとてつも
ない速さであると言え
ますそんな真空中の高速は単に早いだけで
なく他の速度と異なり特別なものでもあり
ますこれは当たり前のことですが移動する
物体の速度はそれを観測する観測者の速度
によって異なって見えます例えば車道を
時速40kmで走る車は歩道で静止して
いる人から見ると時速40kmに見えます
が同じく時速40kmで走る対抗差から
見ると時速80kmに見え
ますしかし真空中の高速は高原がどのよう
に運動していてもどんな運動をする観測者
から見ても等しく高速に見えるのです
常識に反していますがこれは様々な実験に
より確認されている事実
ですあらゆる物体の速度は相対的だが真空
中を移動する光だけは特別で誰から見ても
等しく高速であるこれを高速度普遍の原理
と呼び
ますアインシュタインはこの高速度普遍の
権利に基づいて相対性理論を構築しまし
た特殊相対性理論では常識に反するものの
いくつかの重要な事実が語られてい
ます例えばまず質量を持つ物質の速度の
上限は高速であり有限のエネルギーをどれ
だけ与えても高速に極めて近づくだけで
決して等しくはならないことが語られてい
ますまた時間の進み方は観測者によって
変化するということも記述されています
高速に近い速度で移動する人ほど外から
見ると時間が遅れて見えるの
ですどんな速度で移動していようとも観測
者本人が感じる時間の進み方は変わりませ
んが静止している別の観測者から赤速で
移動する人を見るとその人の時間が遅れて
進んでいるように見え
ます高速に近い速度で移動すればその人に
とっては1年の時間経過であっても外の
世界はその何十倍何百倍も経過していると
いうことが起こりますこの現象を裏島効果
と呼び
ます波動と粒子の二重
性現代物理学において一般総裁性理論と
並んで根幹をなす理論である量子力学は素
粒子や基本的な力など主にミクロの世界を
記述する理論です
そんな量子力学においてこれまた常識に
反しますが光というのは波動としての性質
がありかつ粒子としての性質も合わせ持つ
という二重性があると考えられてい
ます光の性質のうち波としての性質を強調
する場合は電磁波粒子としての性質を強調
する場合は光子と呼び
ますこの波動と粒子の二重性光をなす素
粒子である光子に限らずあらゆる素粒子が
持つ性質であるということが知られてい
ます波動電磁波としての
性質波動性を示す具体例解説と
干渉光の波動性を証明した有名な実験に
1800年代にトーマスヤングが行った
ヤングの実験があげられますこの実験では
光をスリットと呼ばれる細い穴に通しその
先のスクリーンにどのような模様が映るの
かを検証し
ます同様の検証をまずは水面の波で行って
みます2つあるうちの片方のスリットに
注目するとスリットを通過した波は直進
するのではなく障害物を回り込んで進んで
いますこれは解説と呼ばれる現象でこの
現象を起こすのが波が持つ特有の性質の1
つ
ですそして波を2つのスリットに通すと
解説した2つの波が干渉し合い波が強め
あっている点と弱めあっている点
がそれぞれ別の直線上に並んでいるのが
確認できます干渉も波が持つ特有の性質の
1つ
ですスクリーン上では強い波が届く点と
ほとんど波が届かない点が交互に並んで
いるのが確認できます今度は光を2つの
スリットに通すとスクリーン上では強い光
が届く点とほとんど光が届かない点が交互
にできてい
ますこれは先ほど水面の波で観測された
模様と同じであり光が解説と干渉を起こす
という波の性質を持っているからこそ
生じる干渉島と呼ばれる模様です電磁波の
波長と
分類電磁波はその波長によって性質が
大きく異なります私たちが見える光か光線
は電磁波の中でも特定の狭い波長域のみ
ですその中でも波長の違いで色の違いを
私たちの目は認識してい
ますかこよりも波長が長いものには赤外線
や電波があり
反対に短いものには紫外線X線ガンマ線が
あり
ます電磁波にはエネルギーがあり波長が
短い振動数が多いほど高エネルギーです
片方を壁に固定した縄跳びを長期に浸透さ
せて波を作る時を考えてみ
ましょう波の幅が同じであれば波長が短い
ほど腕を素早く振動させてより多くの
エネルギーを与える必要があることから
波長が短い振動数が多いほど高エネルギー
であるという風に考えると明示しやすいか
もしれませ
んX線やガンマ線は非常に高エネルギーで
聖体の細胞を傷つけてしまうため有害な
放射線に分類され
ますまた波長が長いほど波動としての性質
が強まります最も波長が長い電波は特に
そうで例えば解説を起こす性質により障害
物に遮られた場所でも電波通信が可能に
なってい
ますスペクトルと熱
放射自然に生じたあらゆる電磁波には様々
な波長の電磁波が混在してい
ますどの波長の電磁波がどれくらいの強度
でやってきているのかを示した波長ごとの
強度分布はスペクトルと呼ばれています
地球から何万光年何億光年も彼方にある
天体からやってきた電磁波のスペクトルを
調べることでその天体との距離や蘇生など
様々な情報が得られます天文学において
スペクトルは欠かせない情報
ですまたあらゆる物体はその表面大度に
応じた電磁波を常に放っておりこの現象を
熱放射という風に呼びます
物体の温度に応じて放射される電磁波の
強度分布スペクトルが決まっています
サーモグラフィーで暗闇でも人体が検出
可能なのは人体から主に赤外線が放たれて
いるため
です高成程度の温度数千から数万度程度で
あれば賢光を多く離すため夜でも星星が
輝いて見え
ますまた構成の色もその温度によって
決まり赤い星ほど低音で青い星ほど高温に
なり
ますこの熱放射という現象のおかげで遠方
の天体の光のスペクトルを調べるとその
温度も理解することができ
ます粒子光子としての
性質波動性だけでは説明困難な
現象光にまつわる多くの現象は光が波動で
あると解釈する理解できることから光が
波動であることは間違いなさそう
ですしかし困ったことに光が単に波動と
いうだけでは理解できないいくつかの物理
現象が存在することが知られていまし
た中でも有名なものの1つに光電効果と
いう現象が挙げられ
ます光電効果とは物質に電磁波を照射した
際に電磁波からエネルギを与えられた電子
が物質から飛び出す現象のこと
です電子が飛び出すには電磁波から一定
以上のエネルギーが与えられる必要があり
ます仮に光が単に波動であればその
エネルギーは電磁波の強度つまり波の振幅
や数明るさと波長の短さで決まるはず
ですよってより高強度で明るい電磁波を
照射するかより波長が短い電磁波を照射
することで電子により高いエネルギーを
与えて飛び出させることができるはず
ですしかし実際はある一定以上の波を持つ
電磁波だといくら強度を高めてもつまり
明るくしても電子は飛び出してきませ
んこれは光が単に波動であるという解釈で
は説明ができない現象の1つです
そんな中アインシュタインは光が波動性を
持ちかつ粒子性も合わせ持っていると提唱
しまし
た戦術の光電効果も光の粒子性によって
説明が可能
です光が粒光子であれば粒が一定未満の
エネルギーしか持たなければどれだけ電子
に粒を当てても電子を動かすことはでき
ません電子を飛び出させるにには皇子の
波長を短くし粒単位で高いエネルギーを
持たせるしかなくなるの
です光は波動と粒子の二重性を持ってい
ますが高波長の光ほど波動性が顕著に見
られるのに対し短波長の電磁波ほど粒子性
が顕著に見られ
ます素粒子としての
行子宇宙に存在するあらゆる力は重力電磁
力
強い力弱い力の4つだけに分類できそれら
の力はそれ以上分解できない最小単位の
粒子である素粒子のやり取りによって
伝わると考えられてい
ます量子力学の枠組で重力以外の3つの力
について非常に高精度な説明が可能な標準
理論という優れた理論が存在し
ますそんな標準理論において講師はは現
時点で17種類発見されている素粒子の1
つに数えられてい
ます光子の質量は0で電荷を持ちません
質量が0なので物質が出せる速度の上限で
ある高速で移動可能
ですまた光子は電磁気力を伝える役割も
持ってい
ます物質を持ったり押したりできる反発力
摩擦力
電気や磁石の力など日常で私たちが実感
できるあらゆる重力以外の力は全て電磁力
に分類でき
ますそんな電磁力は
素粒水という以外にも私たちが普通に生活
する上で光の恩恵は非常に大きい
です
2013年7月ドイツのタルムシュタット
大学の研究チームは物質中で光を1分間
提示させるという記録を達成しまし
たその研究では3本の光の線のイメージを
最大1分間決勝の中に保存することに成功
しまし
た光の10日九州
反射真空中での光の速さは1秒間に約
30万kmで一定ですしかし物質中での光
の速さは物質の種類により異なり真空中
よりも遅くなりますなぜ物質中の光は進む
のが遅くなるのでしょうか物質は原子から
成り立っていますそして原子は原子角と
その周囲にある電子から構成されて
ます原子角はプラスの電荷電子はマイナス
の電荷を帯びてい
ます光は電磁波であり物質中を通る時に
電荷を持つ電子を振動させ
ます物質中の光は電子と干渉しながら進む
ので真空中よりも遅くなり
ます光が物質中を投下するのはガラスなど
の透明な物質の場合です光を通さない不
透明な物質の場合光は物質に吸収または
反射してしまい
ます光が物質に吸収される場合光は物質中
の電子に吸収されます光のエネルギーは
電子がより高い軌道に移動するために使わ
れますその後電子はエネルギーを熱として
放出して元の軌道に戻ります光が物質に
反射される場合も光は一旦物質中の電子に
吸収されエネルギーの高い軌道に移動し
ますしかし吸収した光をすぐに再放出し
電子は元の機能に戻り
ますどの波長の光を吸収反射化させるかは
物質の種類によって異なります例えば銀の
場合目に見える波長の光可視光線は全て
反射します従って金属光沢がありますが色
は無職
です金の場合緑色よりも短い波長の光が
金属中の天子に吸収されそれ以上の波長を
持つ大食口を中心に反射されるためこの
ような小金色に見えますダイヤモンドの
結晶では炭素原子が電子を共有し合うこと
によって強く結露していますこの状態の
電子をすには貸光線ではエネルギー不足
です従って貸光線はダイヤモンドには吸収
されずに結晶中を化するためこのように
透明に見えます光の吸収の場合は光は物質
中に吸収されて再び放射されることはあり
ません光の停止時間は無限大と言え
ます光の反射の場合は光は物質中で一瞬
だけ停止し再び反対方向に同じ速度で進み
ますこの時光の停止時間は0であると
見なせ
ます今回の実験のメカニズム
今回の研究の目標は物質中で光が停止して
いる時間を0や無限大ではなく有限な値に
することで光を吸収した物質中にデータを
一時保存しその後そのデータを取り出すと
いうを可能にすること
です研究チームはある特殊な結晶を用いて
実験しましたその決勝は通常では不透明
ですがレーザー光線を当てると透明になる
という性質を持っています実験の手順とし
ては次のようになりますまず結晶に
レーザーを当てて透明にします透明になっ
た結晶に獲対象の光を照射します最初の
レーザーを消して決勝負と目にします
その結果光は結晶の中に閉じ込められます
結晶が不透明になっているので光が外に出
られず結晶中で身動きもできない状態に
なってい
ます結晶の中に閉じ込められた光の
エネルギーは結晶の電子のスピンの
エネルギーに変換されますスピンとはよく
粒子の時点のようなものという風に例え
られるパラメーターですこの時元の光がが
持っていた情報今回の実験では3本の横線
も決勝中に保存されてい
ますそして再びレーザーを当てて結晶を
透明にすると電子の状態が元に戻り元と
同じ情報を持った光として結晶から再放出
され
ます結晶から出てきた光から画像を復元
すると60秒間保存されていた光からでも
3本の線が再現されました
これにより決勝中に1分間も情報が保存
できていたことが示されまし
たまた2021年には中国科学技術大学の
研究チームが光の情報を1時間以上保存
することに成功したと発表していますこの
分野の研究の発展が伺え
ますこれらの研究はどのように役立つの
か俺らの研究成果によってコンピューター
のメモリの性能が大きく向上する可能性が
あり
ます量子コンピューターは物質や
エネルギーの最小単位である量子の持つ
性質を利用したコンピューターです現在の
量子コンピューターには事実上計算を行う
演算装置しかなく量子情報を記憶する装置
が存在しませ
ん量子の情報は外部環境からのノイズに
より壊れやすくなっていますそのため量子
状態を保存する量子メモリは現在のところ
保存時間が短く実用レベルに達していませ
ん光もコースと呼ばれる量子からできてい
ます光を1分間停止させる技術は量子
メモリとしてそのまま応用でき
ますさらに量子メモリの実現は長距離量子
ネットワークの想像につながります長距離
量子ネットワークとは用紙
テレポーテーションを利用した用紙
コンピューターのネットワークのこと
です量子リピーターと呼ばれるデータの
中継を行う機器には数十秒以上の光の保存
時間が必要になり
ます用紙メモリが実現すると量子
コンピューターのインターネットが誕生し
ます量子ネットワークでは絶対登場でき
ない通信の究極の安全性が保証されると
言い
ます
とてつもなく早い
高速真宮中の高速は秒速30万kmにも
なり
ます地球の赤道の長さは約4万kmなので
仮に高速で地球の赤道場を周回した場合光
は1秒で地球を7.5周もしてしまい
ますそして仮に地球と月の間を高速で往復
するとこのようになり
ます地球表面と月面までの平均距離は
38万48万
が高速だと片道わずか1.25秒で
たどり着きますなので逆に言うと私たちが
地表から見る月の姿は1.25秒前の姿で
あるということになります
さらに真空中の光速はこの宇宙における質
の速度の上限であることも知られています
わずかでも量を持つ物質だとどれだけ加速
しても高速に限りなく近づくだけで決して
高速以上にはなりませんこのように高速は
私たち人間スケールではとても目に終え
ないほどに早くそしてこれ以上に早い物質
はこの宇宙のどこを探しても存在します
ませ光の動きも捉える高速度
撮影米国カリフォルニア効果大学の研究者
たちによって光の波が進む様子を捉えた
映像が公開されてい
ますカリフォルニア高家大学の研究者たち
は光が進む様子を確認するために毎秒
10兆フレームという驚異的な高速度撮影
が可能なカメラを用いました1秒あたり
10兆フレームというのはカメラの
シャッターを1秒間に10兆回押すような
もの
ですカリフォルニア高家大学の研究者たち
がついたこのような超ハイスピードカメラ
は光の動きでさえもスローモーションで
捉えてい
ますまた2011年にはマサチューセッツ
効果大学の研究チームが開発した1秒
あたり1兆フレームのカメラにによって光
の動きを撮影しその成果が研究論文で報告
されまし
た通帳FPSの
世界カリフォルニア効果大学や
マサチューセッツ効果大学の研究者たちの
撮影者光の映像を詳しく解説する前にまず
市販のハイスピードカメラと研究用のハイ
スピードカメラを比較したいと思い
ます近年では人間の目で捉えられない映像
を影するため様々なタイプのハイスピード
カメラを購入することが可能
です一般的にハイスピードカメラとは1
秒間に動画を連続的に1000フレーム
以上を撮影できるカメラのことをさし
ます1秒あたりのフレーム数をFPS
フレーPERセンという風に単位で表わし
1秒あたり30フレームであれば30
FPSとなります
このFPSの数値が低すぎると映像は
カクカクした動きになってしまい
ます例えば映画は24FPSテレビは30
FPSゲームだと30FPSから60
FPSくらいが多いですもちろんFPSが
高いほど映像は滑らかになりますがデータ
容量も大きくなり理にも負担がかかるため
目的に応じて適切なFPSを選ぶのが重要
になる
でしょうもしスポーツのシーンなど動く
飛車体を撮影したいなら120FPS以上
のカメラが適しているという風に言われて
い
ますさらにハイスピードカメラの中には
100万FPSの性能を持つものもあり
ます100万FPSのハイスピードカメラ
で撮影した動画をスローモーションで再生
することで弾丸でさえも綺麗に動きを確認
できてしまい
ますそれに対してマサチューセッツ効果
大学の研究者たちが開発したカメラは市販
のカメラとは全く桁が違い1兆FPSで
撮影が可能ですつまり弾丸を綺麗に撮影
できる100万FPSのカメラのさらに
100万倍の性能を誇ってい
ます1兆FPSのカメラで撮影した1秒間
の映像を通常のカメラと同じ30FPSの
速度で再生する場合見悪のに1000年
以上もかかる計算になり
ますこのように研究者たちが使用している
カメラは私たちが普段使っているような
市販のカメラとは比べ物にならない性能を
持ってい
ます具体的には101億以下という想像を
絶する短い時間にに実に480回も
シャッターをしこのように極めて短い動画
を作成しまし
た10兆FPSで見る光の
様子さらにカリフォルニア効果大学の研究
者たちはマ中節効果大学のカメラの中売で
ある10兆FPSのカメラを開発し光が
移動する瞬間を撮影しましたこのように光
が非常にゆっくりと進んで見え
ますカリフォルニア高家大学の研究者たち
は光線が反射高と10架校の2つに分離
する瞬間も映像で確認しまし
た光の反射を2連続で起こした映像が
こちらです2つのミラーによって光が
跳ね返ってる様子がしっかりと捉えられて
い
ますそして以上のような数FPSの超ハイ
スピードカメラは今後様々な技術に貢献
するはずです具体的には生態医学や材料
科学及び様々な応用分野に大きな影響を
与えると言われてい
ます光と物質の相互作用を綿密に観測
できる以外にも次世代型の顕微を生み出す
こともできるそうですその一方で医療分野
では患者の血液テストで役立つことが期待
されてい
ますそして研究者たちはこのカメラの性能
をさらに100倍高めいずれは船長FPS
という数値を実現できる可能性があると
いう風に述べていますカメラは私たちの
日常生活でもあらゆる場面で使用されて
おり光の動きを撮影できるほどの高精度な
カメラの誕生はあらゆる応用が可能です
この技術がどこまで高まりどのようにさ
れるのか期待してい
ましょうはいということで今回の動画は
以上になりますこの宇宙やばいチャンネル
では基本的には宇宙の分野をえたまに今回
のような科学の分野を投稿しているので
是非えこういった分野に興味がある方は
チャンネル登録をお願いしますそれでは中
の人のキャベッチでしたまた次回の動画で
お会いしましょう
さよなら
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