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超高速現象への挑戦

時間分解

‥ってなんのこと? (‥ )ン?

19世紀
「ギャロップ状態の馬(全速力で走っている馬)の4本の脚が
同時に地面を離れている瞬間があるかどうか」
という問題に賞金がかけられ論争に o(*^▽^*)o

お金が絡むと、人間の行動は早い(いつの世も同じ)
これがきっかけで高速でシャッターが切れるカメラが開発され
のちの映画撮影技術につながった (*゚Ω゚)/

最近のスポーツ中継なんかでハイスピードカメラ映像
あるよね?

野球でバッターがボールを打つ瞬間、とか

インパクトの瞬間、信じられないほどバット曲がっている
(そりゃドカベンほどじゃないけどさ)

今じゃ25000コマ/秒も可能とか
40マイクロ秒毎に撮影できる計算!(1マイクロ秒=100万分の1秒)
Σ(゚д゚;)

このように
短い時間で現象の変化を追うのが時間分解

物理研究の世界はもっとすごいよ

一般に微小な世界ほど物事は速く動く

東工大本川達雄教授の
「ゾウの時間・ネズミの時間」(中公新書)
という本の中で
ハツカネズミは1秒に10回心臓が鼓動するのに対し
像は1回の鼓動に3秒かかる、と

その分時間の感じ方も身体の大きさによって異なり
像にとって瞬間的な出来事も
ネズミにとっては結構長い時間に感じるのだ、と

要は、小さい動物ほど時間の流れを遅く感じ
同じ1秒でも、より長く感じる、ということらしい

ま、その真偽は知らないけど
少なくとも自然現象でもそれと同様のことが言えて
微小な世界の現象ほど、短い時間スケールでものが動く

最もシンプルな話だと、振り子時計(最近見ない!)の振り子ね
あれは(空気抵抗がなければ)おもりの重さとか振り幅に関係なく
振り子の長さが長いほど、ゆっくり揺れる
「大きい」ほど「ゆっくり」

これが自然界を貫く法則(おおざっぱに、ね)

例えば分子どうしがエネルギーや原子をやり取りする化学反応

これなんか極微の世界なんで
相当速い時間スケールで動いていそうな予感がするけど
実際その通り

その様子を時々刻々捉えるには
マイクロ秒スケールの観測では遅すぎる

もうすでに、フェムト秒(1000兆分の1秒)レベルで
自然現象の時間変化を追うことは当たり前に オオ-!!w(゚o゚*)w

どうやって?
光パルスを使います

光パルスとは
通常使っている照明器具の(ずーっと出続けている)光とは異なり
短い時間だけまたたく光、ということ

短い時間スケールの高速現象を観測するには
それ相応の、短い光パルスを使う必要がある

で、フェムト秒スケールの光パルスを使うと
フェムト秒スケールの現象が観測でき
例えば塩を水に溶かした時
塩の分子が分解されて水分子にくっついていく様子
‥が時々刻々観測できる

徐々に徐々に
塩の分子(塩化ナトリウム)が分解されつつ
分解された塩素原子とナトリウム原子それぞれに
水分子がくっついていく(水和)

というような現象を
まるで顕微鏡で実況するかのように
時間を追って観測することが可能

‥と、ここまでは私(種市)の学生時代くらいの話

今は更にその下
100京分の1秒(アト秒)スケールで化学変化を追う技術が開発されつつある
♪⌒ヽ(*゚O゚)ノ スゴイッ!!!

分子や原子の運動は今までの時間分解能で観測できたが
このレベルになると
その分子の中で動く電子の様子を捉えることができる

それで何が嬉しいのか?

‥は、色々あるけど例えば

量子力学では
電子(に限らないけど)は波としての性質と粒子としての性質を併せ持つ

ことが知られている

これに関し

粒子として現れる電子がどのようにして波の性質を示すようになるのか?
粒子性と波動性の両立とはどういうことか?

これらの
20世紀初頭以来の量子論に関わる物理学(哲学も?)最大の謎の1つ
が、この
アト秒スケールでの観測技術の実現
により解明できる可能性がある

すでにその兆候が見えているので、今後の展開にこうご期待! ( ̄▽ ̄)

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