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真空


ヨミ: シンクウ
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真空とは、物質が存在しない「マジでカラッポな」またはそれに準ずる間である。英語では vacuum(バキューム)。

要は、今まさにあなたが見ているこのスペースのように、「なーんにもないところ」が真空なのだえ、句点)がまばらに存在してしまっているって?まあ確かに

反転させれば文字でもはっきりと見えてしまうって?それも間違ってないね

もう少し空白文字改行を使った方が良かったかなでもそうしたらそうしたで「ピクセルが存在してるじゃないか」って言われそうだでも、「真空」という言葉の解釈次第では、「まばらに何かが存在している」「ぱっと見ではわからないけど実は何かで満たされている」「どうあがいても取り除けないものがある」というのはどれも許されるのだ


真空よりは中身の詰まった概要


宇宙空間の高度

工業的には「通常の大気圧より低い圧の気体で満たされた間の状態」。それだといくら何でもハードル低すぎね?と思われるかもしれないが、これは日本工業規格(JIS)にはっきりと書かれた定義で、ついでに言えばその元となっている際標準化機構(ISO)による定義でもある。「その程度では真空と認めないぞ」という真空原理義者なら「陰圧」または「負圧」という言葉を使えばいいんじゃないかな

論、これだけではざっくりしすぎなので「低真空・中真空・高真空・高真空」といった分類がある。高真空(大気圧の1億分の1以下)がだいたい地球100km(これより上が通常宇宙空間と言われる)くらいの真空だと思えばいいはず。現在人類が作り出せる最高級の真空は高度800kmくらいの宇宙空間に相当する。

直感的な定義では、「物質が存在しない」。技術的には到達しえないんだけど、物理学における思考や計算では多くの場合こうした真空状態を前提としていることが多い。何も無いんだけど、重力や電磁気などが通る「場」にはなる。

相対性理論量子力学などでは、それぞれ別の観点から「間(時)からどんなに頑って物質を取り除いても、そこに残る《何か》がある」という考え方をする。なので、すごくざっくり言えば、その「取り除きようがない《何か》だけが残った状態」が真空だということになる。

無いものは無い?

何も無い状態」をっ正面から議論するのは意外と難しい。一見何も無いように見える間も、扇げばが発生するのだから何か(空気)が存在する事がわかる。そんなわけで大昔に「何も無い状態=真空」という概念を積極的に考えた人はあまり見当たらない。

例外的に、古代ギリシア哲学者たちの間では「真空(虚)は存在するのか」ということは一大問題として議論の対になっている。

君、「虚がある」って言った?じゃあ「虚」はじゃないってことだよね。だったら「虚」なんてものはあり得ないじゃないか。  −BC5世紀の哲学パルメニデスの発言(アリストテレスによる引用を意訳)

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無とは一体……うごごご!!

理屈はともかく、パルメニデスやその子であるエレアのゼノンは「真空は存在しない」という意見を掲げた。彼らは「ゼノンのパラドックス」に代表されるように、時間や間に関して様々な議論を巻き起こしているのだが、この「真空の否定」は多くの哲学者が共有する常識となっていく。

そんな中で空気を読まなかった(真空なだけに)哲学者の一人がデモクリトス(BC460年ごろ-BC370年ごろ)。彼はあらゆる物質はアトム(原子)という粒子に分解できるはずだという原子論を提唱した。全ての物が粒でできているなら、粒と粒の間には何も無い間すなわち真空が存在することを認めることになる。必然的にデモクリトスは真空論者でもあった。

しかし、古代ギリシア最強哲学アリストテレス(前384年〜前322年)は原子論を真空もろとも否定してしまう。彼く、

自然は真空を嫌う。 

アリストテレス自然学』第4巻

一応この発言の背景にはアリストテレスによる実験と思考がある具体例としてはこんな感じ。水の中に落とした球よりも、密度が高いシロップに落とした球の方がゆっくり沈む。密度がより小さい空気の中ではより速く落下する。これは抵抗によって速度が抑えられているのだと考えられる。ということは密度0の真空では抵抗がないので限の速度運動できてしまうはずだ。しかしそんなことが起きたら一つの物体が同時に2箇所に存在できてしまうので、自然は真空を嫌う。。ともかく、アリストテレス物理学は理屈としては筋が通っていたので、17世紀ごろまでは西洋(古代ギリシアの影を受けたイスラム文化圏含む)で真空の存在を本気で信じる人はあんまりいなかった(いなかったとは言っていない)。

ちなみに地球が土・空気)・火の四元素でできているという世界観もアリストテレスによって定着した。クリスタルのごとく信奉された彼の理論を砕かなければ……じゃなかった真空に到達できないのだ。


真空を作る


アリストテレスとその信奉者に喧を売りまくったガリレオ・ガリレイでさえも「自然は真空を嫌う」という発想を捨てられなかったらしい。しかし彼の死後の1643年、子だったエヴァンジェリスタ・トリチェリが「明らかに真空っぽい」現を発見する。

トリチェリの実験はこんな感じ。まず大きな器と長ーいガラスの試験管(具体的には1mくらい)を用意して、両方とも水銀で満たす。次に試験管の口をでふさぎながら器の水銀の中に突っ込んで、試験管を逆立てた状態で口からを離す(万一にも水銀を体内に取り込んでしまうと危険なので、良い子は真似しないように)。

本当に自然が真空を嫌うなら、水銀はそのまま残るはずだが、実際にやってみると水銀は器の水銀面よりも76cmくらいの高さまでしか残れない。そこから上のガラス管には何も見えない。空気が入り込む余地はないはずなので、ここに真空が発生した、と考えられる。厳密に言えば水銀が少しだけ蒸発してうっすーい水銀ガスが存在しているのだけど、この「トリチェリの真空」はアリストテレスの説を覆すのに十分な説得があった。ちなみになんで76cmだけ残るかというと、この高さの水銀の重さと空気が器の水銀を押す(つまりは大気圧)が釣り合うから。この原理は気圧計に応用できる。

トリチェリの実験を知ったドイツオットー・フォン・ゲーリケは1654年までに真空ポンプを発明して、「マクデブルクの半球」という実験おこなっている。どんな実験かというと、金属の半球2個をぴったりと合わせて中の空気を真空ポンプで抜くと、ちょっとやそっとでは引き離せなくなるというものだ。ゲーリケがマクデブルクという市長だったのが名前の由来。ちなみに、マクデブルクの半球は何度か実験として実施されているのだけど、そのうちの一回は当時の神聖ローマ帝国の議事堂前で、時の皇帝フェルディナント3世の御前というどえらいシチュエーションおこなわれている。このときは左右から8頭ずつのが引っることでようやく半球を外すことができたそうな。

ファファファ…ついに手にいれたぞ!!最強の力! 世界を支配する力!「真空」の力だっ!!」……とゲーリケは言わなかったかもしれないが(ついでに言えば半球をくっつけているのは真空のというより外の大気圧)、彼の実験によって世界では「真空は存在する」という考え方が支配的になっていく。

その後、真空ポンプは良を重ね現在に至っているが、それでも分子が1つもない全な真空を作り出すのは物理的に不可能。なので、真空ポンプを作動させて作り出した状態は取りあえず「真空」と呼ぶことにしましょう、というのが上で述べた工業的な定義の背景にある考えと言っていい。

ちなみに現在作れる一番気圧の低い「真空」は、約10-11ヘクトパスカル(大気圧の約100兆分の1)。これがどれくらいすごいかというと、仮に東京ビッグサイトの建物内がこのレベルの真空だった場合、残された空気圧縮して標準的な大気圧(1013ヘクトパスカル)にするためにはサイズまで縮めなければいけない。一方で、10-11ヘクトパスカルまで空気を薄めたとしても、わずか1cm3角砂糖1個分の体積)の中に窒素酸素の分子が数千個も残ってしまう。説明しておいてなんだが、すごいんだかすごくないんだか全然わからん。

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そしてこの人類が現在までに作り出したもっとも薄い真空状態でさえ、せいぜい地球1000km程度の宇宙空間にしか匹敵しないし、さらに言えば一般的なの大部分はこれより薄いというのだから宇宙ヤバイ

エーテルを巡る攻防

一方、化学の進歩によって、かつて捨て去られていたデモクリトスの原子論が(形は少し異なるが)復活。粒子と粒子の間は真空と考えて良さそう……に思えたのだけど、ここで問題が発生してしまう。何もくても間中を伝わってしまう(ように見える)万有引力の存在だ。

元々、惑星宇宙空間の中を動くことができるのは、間が「エーテル」という物質で満たされていてそのエーテルがぐるぐる回っているからだ、という考えが古代ギリシア時代からあった。これを後世に定着させたのは例によってアリストテレスで、地球が四元素でできているのに対して上界は全てエーテルでできていると考えたのだ。17世紀フランス哲学者・数学者だったルネ・デカルトはこの考えを発展させて、エーテル太陽系の中で渦を巻いて惑星を動かしているという説を唱えている。

しかしイギリス物理学アイザック・ニュートンは渦で惑星の動きを説明できないことを看破。宇宙空間エーテルなんてねーよと考え、「リンゴが木から落ちるのも、地球の周りを回るのも、物質の間に万有引力が働くからだ」とした。なるほど、彼の万有引力法則を使えば惑星の動きは計算できる。でもなんで、綱引きをしている訳でもないのに真空の中を万有引力とやらが伝わるの?という疑問は当然出てくる。これに対してニュートンは堂々とこう答えた。「知らんがな正確には「われ仮説を立てず」という言葉で、彼の著『プリンキピア』の中に見られる。「そうなるものはそうなるんだから仕方ない、理由をでっちあげるために余計な妄想をすんな」と言ったところか。

その一方、ニュートンの性質の研究でもものすごい実績を残していて(色に分かれることを説明したのもこの人)、がとても小さな粒であると考えた。これなら当然、真空の中をが進むことに何の問題もない。でも、どう考えてもが粒では起きそうにない現が次々と見つかるようになった。具体的には「の干渉」とか「の回折」とかなんだけど、この辺は高校物理の教科書を読むなりググるなりしてくださいな(本節最後で紹介してる動画もオススメ)。

の粒らしからぬふるまいも、が粒子ではなくて波だと考えれば説明できる。しかし、の波がなくして伝わらず、空気がなければ音が伝わらないのと同じように、の波が何も無い真空を伝わるというのは変な話だ。そんなわけで、なんと19世紀には「エーテル」という概念が復活していたのだ。このエーテルはやはり宇宙空間を満たしているのだけど、他の物質とは一切ぶつかったりせず、絶対的に静止していて、ただを伝えるだけの性質を持っている。こうなると、「他の物質が存在しない真空状態」は「純エーテルしか存在しない間」ともとらえられる。

ところが、19世紀も終わりに近づいたころになって事態はさらに逆転。「が単純に波だとしたら説明できない現もあるよ」という発見(電効果)と「地球エーテルの中を動いているのだとしたらおかしいぞ」という実験結果(マイケルソン・モーリーの実験)が相次いだのだ。この両方を突き詰めて、1905年に相次いで論文を出したのがアルベルト・アインシュタイン。前者の研究からは、がとらえ方によって粒子とも波ともとれる量子であるという量子説を提唱し(これが1921年にノーベル物理学賞を受賞した理由)、量子力学の成立に大きく貢献した。また後者の研究によって、絶対的に静止した物質としてエーテルが存在するというはとどめを刺され、その墓場の上に特殊相対性理論が誕生した。この量子力学相対性理論によって「真空」の概念は大きく変化していく。


■sm31037527[ニコ動]


現代物理学における「真空」


アインシュタイン特殊相対性理論をさらに発展させて、ニュートン投げっぱなしにしていた万有引力重力)に説明を与える一般相対性理論を1916年に構築した。その説明とは、「質量を持った物体が存在すると、その周辺の時ゴム膜みたいにむので重力が生じる」というものだ。というわけで、一般相対性理論における真空はむことで波のように重力を伝える性質を持っている。この「重力波」はあまりに微弱なので、アインシュタインの予測から技術が進んで初めて観測に成功する(2015年)まで100年もかかった。

……あれ、それってを伝える媒質として仮定されたエーテルと似てない?まあ、エーテルは他の物質とは干渉しないけど何らかの「物質」であるのに対してこちらは「時そのもの」を考えているのだけど、これをきっちり説明するのはあまりに難しいので割愛

さて、この一般相対性理論を使って色々計算してみると、宇宙は膨か縮小を続ける運命にある、という結果が出た。ところがアインシュタイン自身含め、ほとんどの物理学者は宇宙サイズは不変だろうと考えていた。

[画像を見る] < 宇宙の 法則が 乱れる!

それはいかんぞということで、アインシュタイン一般相対性理論方程式に「宇宙項」というパラメータを付け加える。これは宇宙が膨したり縮小したりするのをキャンセルするもので、まあ真空がそういう性質を持っているのだろう、という解釈がされた。

しかしアメリカ天文学エドウィン・ハッブルが1920年代におこなった一連の観測と研究によって、宇宙が実は膨しているという驚きの事実が発見されてしまった。こうなると宇宙項などというものを用意する必要はなくなる。アインシュタイン涙目

ところが1990年代になって、その膨速度をよく調べてみたら、宇宙が年齢を重ねるにつれて加速している、というさらに驚きの事実が発見された。つまり、真空自身に宇宙を加速させるような性質があるのだ。というわけで、形を変えて宇宙項が復活。やったねアインシュタイン

この宇宙項で表される、宇宙を加速させる真空の性質は「暗黒エネルギー」と呼ばれている。

相対性理論がどちらかと言えばスケールの大きな事について成果を出した一方で、ミクロ世界を説明することに成功したのが量子力学だ。詳しくは量子力学の記事をご覧いただきたいが、「は波とも粒子とも取れる」という話を突き詰めていくと、「位置と運動量を同時には確定できない」という不確定性原理が得られる。

さて、不確定性原理の上に立って考えると、「真空」という概念ががらっと変わってしまう。なぜなら、「ある間に何も無い」ということは確定的に明らかではないからだ。ミクロな範囲ではエネルギーが出現したり、物質と反物質のペアという形で粒子がぽっと出現したりすることがあり得る。たとえて言うなら、遠くから見たら静かな面だったのに、近づいてみたら結構波立ってる、というのが量子論における真空というわけだ。これは真空自体が持つエネルギー、真空エネルギーとも呼ばれる。

宇宙を加速させている暗黒エネルギーの正体は量子論的な真空エネルギーではないかという説もあるが、両者の数字がうまく合わないのでまだただの補に過ぎない。具体的にどれくらい合わないかというと、暗黒エネルギーの桁数が最大で120桁ほど足りない。割と絶望的である。

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最終更新日: 18/01/30 13:13
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