時空をかける光日本物理学会大阪支部 公開シンポジウム「光と物理の過去・現在・未来：世界光年」
2015年12月20日（日） 13:00－
＠大阪大学中之島センター・佐治敬三メモリアルホール

NPO知的人材ネットワーク

あいんしゅたいん

坂東昌子

1

物理は推理小説2

小学校の校庭で空はなぜ青いの？
3

透き通っているから色なんかぬってないよ！

色が塗ってあるのよ

そんならなんで青いの？
4

海だってたくさん集まると水色になるもん

でも、どうしても友達は賛成してくれません5なんでやろなあ・・・

みなさんと一緒に、光の仲間の世界を冒険してみましょう！
6

質問１
太陽の光の性質は？

太陽の光が通っていく
道筋はみえないね！

そこには何もないのかな？

でも・・・見えることあるね！
光の筋が見えるね！
そこに何かあるんだね光はどんなことをする？

光はまっすぐに走るだけ

透過
光は方向を変える

散乱
光がなくなる

吸収
熱の発生・相手を活性化

太陽からやってきた光の運命
大気中には空気の分子やチリや水滴がある

太陽光

散乱～３０％は宇宙に！
大半は吸収
散乱光

でもホントは地球から目に見えない光が宇宙へ飛び出しているんだよ。
赤外線なんだよ！

吸収光のふるまい物があるから散乱・吸収が起こるのねでももっと面白いことがあるよ光と色

14

光は色がついてる！
→虹だよ太陽の光を分ける（分光）色によって曲がり方（屈折率）が違うんだ！

太陽光

プリズム

波長の長さの単位：ナノ・メートル nm
１ナノ・メートルは百万分の１ミリ・メートル

光の色の種類
波長
色々な光

長
い
700

何が違うのかな？

600
波長がちがうんだよ！

500
右のように波長は青が短く、赤が長いのです。

短い

400

プリズムの原理で・・・質問です！ 虹の色の順番は上が赤？ 下が赤？

42度

http://d.hatena.ne.jp/inyoko/20090914/rainbow

同じ水滴の光を見ているのではない・・見るときは別の水滴の違った色なんだよ。
私も最初間違いました。
ネットを見るときは注意する
こと・

http://www.t-scitech.net/miraikan/color/rainbow/

虹の色の順番わかったかな？

2回反射すると・・・

空はなぜ青い？

物理は推理小説24

空はなぜ青いのか
地球温暖化科学の始まり
空はなぜ青いのか
空はなぜ青いのか
チンダルの興味チンダル：
1859年：直径7cmのガラス管1.2mを水蒸気で満たし光を当てる実験
部屋を真っ暗にしてガラス管への光の焦点を合わせる
ガラス管全体が空の青さになる。
王立実験所で対立実験：
大気が粒子を含んでいないとき真っ黒

横方向に散乱青く見える！

インターネットで調べると石鹸や油を水に入れ光の波長によって散乱の強さが違う！
透明な容器に水、石けん水、家庭用油汚れ洗剤を水で薄めて入れる。
油入り石鹸水水レーザー光を横から入射

水では直進性が強く真横から見てもその道筋は見えない
石けん水と油汚れ洗剤ではレーザー光の道筋がくっきりと見えるやってみよう一番うまくいったのは、床を磨くワックスでした！
京大のお兄さんが見つけたよ太陽（白い）光を当てると太陽が上から照らしていると・・・

昼間

夕方

地球温暖化科学の始まり「空はなぜ青いか？」から始まった！？

物理の原理の発見が役立っている例• パスツールの実験を助けたよ！
バクテリアを含まない水中の光の散乱• 純粋な空気からはバクテリアは生じないことを証明• 1930年医学の応用→ラムーグラスフィーバー 胃カメラ
内視鏡の発明へ発展したんだよ！

見えるとは？

34

質問
私たちはどうしてものを見ているの？

視細胞
人間の目の網膜
二種類の視細胞
かん体細胞
うす暗い光（薄明）
大面積に分布錐体細胞
明るい光
小面積に集中分布視神経の感度がピークとなる波長
視覚の感度は動物によって少しずつ違っている。
明るい時に受ける錐体細胞は人間では３種類であるが、他の動物では４種類のもある。
魚類は大体は紫外線に感度のある視細胞を持っている。

光のコビト

赤緑

R青GB

赤だ

青だ

緑だ

黄だ

紫だ

空色

白だねだ

黒だ

物の色は？
間違わないでね！

こ植物の葉が緑なのは？
葉に赤と青の光を当てれば両方とも吸収が大きいので、葉は黒っぽく見えるでしょう。

植物が必要な
光は実は赤色の光だよ

太陽の光はRGBみんな揃っていて白色だよ
緑の葉は緑の色の光を反射
青い海は青い光を反射テレビでどうして色を出してるのかな？

カラー液晶テレビディスプレイで色を指定する
RGBで表すよいやねえ・・・
赤緑青って書いてほしいな！

123456789ABCDEF （16段階あるんだよ）
2桁あるよ
00→01→02→03・・・・→09→0A・・→0F
10をA,11をBと書くんだね？
簡単でいいかも！

フルカラーテレビ ～光の三原色～

カラー液晶テレビの三色があれば、いろんな色を作ることができるの光の強さを変えると・・・・かきかたはFF
• R
• G
• B

00→FF
一番明るい00→FF
00→FF
01→02→03・・・・→09→0A・・→0F
10→11→12→13・・・・→09→0A・・→1F
20→ ・・・・・・・・・・・・・・
F1→・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ →？？

FF

ここはなんて書いてあるかな？

クイズだよ・・・・・ RGBでかくよ
何色かな？

FF００００クイズだよ・・・・・ RGBでかくよ
何色かな？

００FF００クイズだよ・・・・・ RGBの順ね
何色かな？

００００ FF

クイズだよ・・・・・ RGBの順序でね
何色かな？

では・・・・・
００００００クイズだよ・・・・・ RGBの順ね

これはどうかな・・・・
FFFFFFカラーコードの例 むずかしくないでしょ？
色

16進数

カラーネーム

16進数

カラーネーム

16進数

カラーネーム#000000

Black#87CEEB

SkyBlue#F0E68C

Khaki#000080

Navy#87CEFA

LightSkyBlue#F0F8FF

AliceBlue#00008B

DarkBlue#8A2BE2

BlueViolet#F0FFF0

Honeydew#0000CD

MediumBlue#8B0000

DarkRed#F0FFFF

Azure#0000FFBlue#8B008B

DarkMagenta#F4A460

SandyBrown#006400

DarkGreen#8B4513

SaddleBrown#F5DEB3

Wheat#008000

Green#8FBC8F

DarkSeaGreen#F5F5DC

Beige#008080

Teal#90EE90

LightGreen#F5F5F5WhiteSmoke#008B8B

DarkCyan#9370DB

MediumPurple#F5FFFA

MintCream#00BFFF

DeepSkyBlue#9400D3

DarkViolet#F8F8FF

GhostWhite#00CED1

DarkTurquoise#98FB98

PaleGreen#FA8072

Salmon#00FA9A

MediumSpringGreen#9932CC

DarkOrchid#FAEBD7

AntiqueWhite#00FF00

Lime#9ACD32

YellowGreen#FAF0E6

Linen#00FF7F

SpringGreen#A0522D

Sienna#FAFAD2

LightGoldenRodYellow

色色質問だよ！
光の子供はそんなに力もち？

光の子供は、とても小さいのに？

夜空の星はなぜ見えるか58

光電子増倍管
10回位で、100万～1000万倍

人間の目は入ってきた光の子供からたくさんの光の子供をどんどん作るのです

人間の目は
光電子倍増管みたいなもの

目の構造と光電子増倍管60

光の子（光子）が電子をたたき出す→光電子

夜空の星が見えるのはこの光の粒が増幅されるのです。

太陽光・地球大気
1. 太陽光は可視光で最も強い。
2. 大気が可視光に対して透明である。
3. 人間の視覚は可視光域にある。
大気の透過度

100 km

偶然の一致？
いいえ！

ヒトは太陽光のもとで進化した生物

高度50 km電波

赤外線 光 紫外線 Ｘ線

太陽のスペクトル→ガンマ線

目の感度もっと光を発光の原理

63灯りはなぜ付くか？
• 「あかり」→たき火 人類がはじめて使った（約50万年前の北京原人も）• 「オイルランプ」 数万年前：動物からとった油
3000年前には植物からとった油• 「自動的オイル供給ランプ」
ヨーロッパ：ルネサンス時代（14〜16世紀）• 「石油ランプ」 室内用灯台• 「石油ランプやガス灯」
19世紀• 「行灯（あんどん）」
江戸時代 江戸時代末には、西洋から石油ランプが渡来 菜種油を使った「無尽灯」 明るさ調整機能http://web.canon.jp/technology/kids/mystery/m_01_07.html

発光の話→光の放射
黒体輻射
物の温度を上げて光を出す
温度のあるものはそれに応じた光を出す！

太陽の表面温度ぐら
いにものを熱しないと光は出てこない！

もっと光を 発光の原理は？

でももう一つ発光の方法があるよ発光
原子分子を活性化して特有の光を出して元に戻る
炎色反応
試料を炎の中に銅リチウム ナトリウム発光ダイオードの構造

LEDチップ→半導体という物質でできているダイオードという性質を持っている
NEDOホームページより

LEDの発光原理
http://www2.panasonic.biz/es/lighting/led/led/principle/•LEDチップ：PN接合（P型半導体とN型半導体が接合）•LEDチップに順方向の電圧をかけると、LEDチップの中を電子と正孔が移動し電流が流れます。移動の途中で電子と正孔がぶつかると結合し、その時に生じた余分なエネルギーが光に変わり発光する。

発光ダイオードの歴史

NEDOホームページより

電球と発光ダイオードの違い
白熱電球
電気

熱

熱白色光（10～15lm/W）

熱発光ダイオード

電気白色光（～100 lm/W）

発光効率の比較

http://www.led.or.jp/led/led_efficiency.htm

目に見えない光

73

質問
見えるものと見えないもの

見えないってことはなにもないこと？

光の仲間・・・電磁波って呼びます
ガンマ線 X線

紫外線

赤外線

電波

目に見える光紫外線

赤外線

光の仲間はまとめて「電磁波」• 波の波長• 振動数• 粒のエネルギー

ものの内部を見るには・・・
ほかにもいろいろあるよ

電磁波＋ニュートリノ＋重力子
様々な放射線・・・・

時空を駆け巡る光！

78

光の働きと利用• 物を動かす磁石（モーター） マクロ
原子（レーザー駆動モーター）ミクロ• 物を見る・・電磁波を観測＋ニュートリノも！
非破壊検査 診断・地球・星・宇宙・・・• 加工・手術・組み立て・・・治療・精密機械• 情報処理・通信手段・人工知能・・・
79

電磁波の働き電波AM、FMラジオ、テレビ携帯電話、電子レンジ

赤外線 ヒーター、自動ドア
防犯装置

可視光
紫外線

殺菌

X線

医療診断

ガンマ線 がん治療

電磁波は情報革命の時代の主役
1998：ベンチャー企業（スタンフォード大学院生）
ザーゲイ・プリン、ラリー・ペイジ⇔シュリラム・モリツ、ジム・リース
スタンフォード大学

リーランド・スタンフォード
当時のカリフォルニア州知事
セントラルパシフィック鉄道（大陸横断鉄道）創立者
腸チフスの病で早逝した彼の子息であるスタンフォードJr.の名を残すために、夫人とともに1886年に構想。6年間に渡る準備の末、1891年に設立

Graduate School of Business
School of Earth Sciences
School of Education
School of Engineering
School of Humanities and Sciences
School of Law
School of Medicine

シリコンバレーマクスウェル 1831～1879(Maxwell, James Clerk)
1864年 マクスウェルの方程式 電磁気学
電磁波の存在を理論的に予想
見えないけど空間に電磁波がとびかっている！
このことが100年以上を経た後で「電磁波を使う時代」を作り出した！
→電波で情報を処理
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:James_Clerk_Maxwell.png

電磁波はどんなところに利用されているか体の中からミクロの世界から

http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2009/091123/

電磁波はもっとたくさん回りで使われています

地球の内部

大気の構造

電磁波はもっとたくさん回りで使われています

太陽の構造

宇宙の構造

85

でも太陽の中を見たかったら・・・
やっぱりニュートリノだよ・・・・デービスの夢•••

太陽の中を見たい！
地層の状態を知りたい
精密な測定が必要
86

光と並んで「ニュートリノもすごいよ！

νμ

宇宙線（陽子）太陽から何にも感じないけど、たくさんのニュートリノが光速に近いスピードで通り抜けている星から大気中から超新星爆発

νeμνe
原子炉から87太陽はなぜ燃え続けているのか？
化石燃料ならせいぜい7000年の寿命

原子核融合巨大なエネルギー： ２6.7ＭｅＶ＝1.5 × 10 ｃａｌ

水素１ｇから ９,０００回風呂が沸かせる

太陽の中では原子核反応
このときニュートリノが出る
ニュートリノはあまりまわりに影響されない
ニュートリノにとっては太陽の中もスカスカ→透過してくる太陽から地球へ
太陽ニュートリノ
およそ2秒でニュートリノは太陽表面に出てくる。

ニュートリノは500秒まえの太陽のエネルギー生産活動の情報をもたらす。

499秒
光，ニュートリノ
核融合エネルギーが太陽表面に到達し光として放射されるまでには数百万年かかる。
89光電子倍増管を取り付ける《フォトマルティプライア－》
90スーパーカミオカンデ
91水をいれるタンクの中92

スーパーカミオカンデ

５万トン超純水タンク（地下１０００ｍ）

93

水の中でほのかな光を出す→ チェレンコフ光
光センサー

電子またはミューオン

チェ
レン
コフ
光

粒子が走ると電気を帯びている

ニュートリノ超純水
チェレンコフ光94検出されたチェレンコフ光の例

95

1987年・・・・・

たくさんのニュートリノが神岡で見つかった！！

１９８７A
超新星（Super Nova）
96スーパーカミオカンデでの検出法• 大気ニュートリノで見つかったニュートリノ振動を人間の手で再現したい• よくわかった条件のもとでニュートリノ振動を観測し、理解を深めたい

１９９９年
史上初の長基線ニュートリノ振動実験、K2K実験のスタート

長基線ニュートリノ振動実験

97

どれがつくばから来たニュートリノ？
• つくばから
１日 約１個？
• 大気ニュートリノ
１日 約１０個• あなたならどうします？？？

到着時間で区別する
GPS
今うったよ

KEK

今きたよ

ニュートリノ飛行時間
約１０００分の１秒

SK98ニュートリノ振動

1998年 高山で開かれた国際会議
梶田隆章

宇宙の背景輻射・・・杉山さんのお話
宇宙は光で満ち満ちている！

John C. Mather
NASA Goddard Space Flight
Center , USA

George F.
Smoot University of California
Berkeley, CA, USA

101

宇宙の果てに！

102

宇宙最初の3分間
ビッグバン宇宙• 最初は大変な高温(1011K)• 約3分後、宇宙全体の温度がだんだん下がってきた。(109K=10億K)• 約30分後、温度が下がってくる事によって、原子核が作られてきた。

次はビッグバンの前の話
インフレーション宇宙

佐藤勝彦

アラン・グース

この2人、ポスドクの時代にした仕事だよ

アンドレィ・リンデ宇宙の始まりこうなったら重力波も！

おわりおつかれさま！！
105おまけ 長さのスケール
長い

人の身長が約１ｍ短い

覚えておくと便利(大きな単位）• T テラ• G ギガ• M メガ• K キロ覚えておくと便利(小さな単位）
コンピュータチップ
有害物質含有量• m ミリ• μ マイクロ•nナノ•pピコ

光の仲間はまとめて「電磁波」
っていうんだよ。

• 波の波長• 粒のエネルギー