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メモランダム

6

2016

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今月は意識しておきたい科学的概念(ウイキペディアより抜粋)



宇宙(cosmos)とは、非同時的に生起して、非同質で、部分的に重なるだけ、常に相補的で、計量可能、あるいは計量不可能な、つねにすべてがかたちを変え続ける出来事からなる連鎖に関して、人類が意識的に感知し、伝達する経験の全ての集合。


シナジー(synergy)とは、システムの中の別々の部分、あるいはそうした部分の寄せ集めの振る舞いをバラバラに見ていても、決して予想ができないような、そんなシステム全体の振る舞い。

(バックミンスター・フラー著:宇宙船地球号操縦マニュアルより)

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シナジェティクス(synergetics)

バックミンスター・フラーが提唱した独自の概念であり、学問体系である。主にシナジー幾何学とも訳される幾何学的なアプローチで、この宇宙(自然科学や人文学、果ては人類や自然、宇宙まで人間が知覚しうる全てを具象から抽象、ミクロからマクロまで)の構成原理であるシナジーを包括的に理解しようとする学問。専門分化されすぎ、人類の継続的発展という面で機能不全に陥っている既存の学術体系に反し、人類が生まれながらに持っている包括的理解の能力を回復、発展させることを通じて問題の解決にも繋がる。
https://ja.wikipedia.org/wiki/シナジェティクス

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原子(英: atom アトム)

古代ギリシャのレウキッポス、デモクリトスたちが提唱した、分割不可能な存在。事物を構成する最小単位。哲学の概念であって、経験的検証によって実在が証明された対象を指すとは限らない。19世紀前半に提唱され、20世紀前半に確立された、元素の最小単位。その実態は原子核と電子の電磁相互作用による束縛状態である。物質のひとつの中間単位であり、内部構造を持つため、上述の概念「究極の分割不可能な単位」に該当するものではない。・・・原子は、正の電荷を帯びた原子核と、負の電荷を帯びた電子から構成されると考えられている。原子核はさらに陽子と電気的に中性な中性子から構成される。陽子と中性子の個数の合計を質量数と呼ぶ。原子核の半径は原子の半径の約10万分の1(1 fm程度)と小さい。なお、一般的な原子の模式図は原子核の大きさを原子に対して数分の1程度に描いているが、これは実態とはかけ離れたデフォルメである。原子は硬い球体というよりも、むしろ真空の中に存在する点状の原子核と電子である。但し、電子はしばしば描かれる模式図のように特定の軌道を描いて原子核のまわりを回っているのではなく、原子核のまわりに確率的に分布しており、原子核を電子雲が包むイメージのほうがより現実に近い。

https://ja.wikipedia.org/wiki/原子

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元素(げんそ、ラテン語: elementum・英語: element)

古代から中世においては、万物(物質)の根源をなす不可欠な究極的要素を指しており、現代では、「原子」が《物質を構成する具体的要素》を指すのに対し「元素」は《性質を包括する抽象的概念》を示す用語となった。化学の分野では、化学物質を構成する基礎的な成分(要素)を指す概念を指し、これは特に「化学元素」と呼ばれる。

古代から中世において、万物の根源は仮説を積み上げる手段で考えられ、その源にある不可分なものを「元素」と捉えていた。ヨーロッパで成立した近代科学の成立以降、物質の基礎単位は原子、とする理論が構築されてからは、原子は「物質を構成する具体的要素」、元素は「性質を包括する抽象的概念」というように変わった。

《原子》は構造的な概念であるのに対して、《元素》は特性の違いを示す概念である。具体的には、各元素の差異は原子番号すなわち原子核に存在する陽子の数(核種)で区分される。したがって中性子の総数により質量数が異なる同位体も同じ元素として扱われる。これに対し原子は中性子の個数を厳密に捉える。したがって、元素とは原子の集合名詞ということもできる。電子の増減によって生じる状態であるイオンは、原子が電荷を帯びた状態として考えられる。英語 "element" は「根本にあるもの」を意味する。他の用例では電気回路の「素子」も同じ単語が用いられる。

いろいろなモノが一体何からできているのかという疑問と考察は洋の東西を問わず古代からあり、物質観・自然観・世界観と関連づけながらそれぞれの文明圏で体系がなされた。それらが「火」「水」「土」など自然の現象から抽出された少数の「元素」であり、宗教と関連づけられることもあった。物質の根源が(現在に似た方向で)体系づけられたことはアイルランドの自然哲学者ロバート・ボイル(1627年−1691年)に始まるといわれる(彼の考え方が後の科学者に共通認識として広がることになった)。彼は実験・測定・分析を重視し、それらの結果から「これ以上細かく分けられない物質」を元素と定義した。以後、様々な考察とそれを裏付ける実験が行われ、元素を「粒子」として捉える今日の元素観および原子論が確立された。

元素の性質は最外殻電子(価電子)に大きく影響されるため、同様な性質を持つ元素は元素の族(元素群)として、周期表においても族(周期表の列)や系列として纏められている。現在、元素は118種類が知られている。このうち114個は国際純正・応用化学連合(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)から正式名称が与えられ、113および115、117、118番目の4個は各国の研究機関から合成に成功したという報告がなされた。なお、元素は173番目まで存在可能との説も唱えられている。

https://ja.wikipedia.org/wiki/元素

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サイバネティックス(英語: cybernetics)

通信工学と制御工学を融合し、生理学、機械工学、システム工学を統一的に扱うことを意図して作られた学問。語源は、ギリシャ語で「(船の)舵を取る者」を意味するキベルネテス(ギリシア語)。第二次世界大戦の後、ノーバート・ウィーナーによって提唱された。当時はまだ情報理論の発展する前であり、自動制御とフィードバックがそれぞれ発展しても、両方の関連を認識することにすら年数を要した、という時代であった。ウィーナーはフィードバックの考えがいろいろと応用でき、また総合のために使えると考え、サイバネティックスを提唱した。コンピュータの飛躍的な発達と普及により、生物と自動機械を統合して扱う学問分野として必要不可欠とされるようになった。

https://ja.wikipedia.org/wiki/サイバネティックス

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位相幾何学(いそうきかがく、英: topology, トポロジー)

「topology トポロジー」という名称は、「topos」と 「-logy」を組み合わせたもので、19世紀末にドイツ語の用語を英語にしたもので、それはギリシャ語のトポス(「位置」「場所」)とロゴス(「学」) に由来する。日本語では英語を音写し「トポロジー」としたり、また漢字で「位相幾何学」や「位相数学」とも。

トポロジーは、数学の一分野であり、何らかの形(かたち。あるいは「空間」)を連続変形(伸ばしたり曲げたりすることはするが切ったり貼ったりはしないこと)しても保たれる性質に焦点を当てたものである。位相幾何学的性質において重要なものには、連結性およびコンパクト性などが挙げられる。別の言い方をすると、「与えられた集合を位相空間とするような開集合に関して研究する」分野である。

位相幾何学は、空間、次元、変換といった概念の研究を通じて、幾何学および集合論から生じた分野である。このような考え方は、17世紀に「位置の幾何」(羅: geometria situs)および「位置の解析」(羅: analysis situs)を見越したゴットフリート・ライプニッツにまで遡れる。レオンハルト・オイラーの「ケーニヒスベルクの七つの橋」の問題および多面体公式がこの分野における最初の定理であるというのが定説となっている。用語 topology は19世紀にヨハン・ベネディクト・リスティング(英語版)によって導入されたが、位相空間の概念が起こるのは20世紀の最初の10年まで待たねばならない。20世紀中ごろには、位相幾何学は数学の著名な一分野となっていた。位相幾何学には様々な分科が存在する。

ユークリッド幾何学が紀元前にはできていたことと比較すると、オイラーやガウスに始まる位相幾何学は高々 250 年の歴史であり、大きな差がある。オイラーは、いわゆるオイラーの多面体定理において球面に連続的に変形できるような多面体の辺・頂点・面の数の間にある関係が成り立つことを見出したが、これをもって位相幾何学の始まりとするのが一般的である。

https://ja.wikipedia.org/wiki/位相幾何学

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一般システム理論(英語: general system theory)

1950年代に科学者ルートヴィヒ・フォン・ベルタランフィ、アナトール・ラポポート、ケネス・E・ボールディング、ウィリアム・ロス・アシュビー、マーガレット・ミード、グレゴリー・ベイトソンらによってメイシー会議の議論の中で提唱された科学理論である。この理論は、電子回路やコンピュータなどの人工物、生物の身体、社会集団など、ミクロからマクロまで様々な現象をシステムとしてとらえ、これら多様なシステムに適用可能な一般理論を構築しようとするものである。

システム理論の学際的な役割は、存在論、科学哲学、物理学、生物学そして工学から、理論的な原則を集める事である。用途は地理学、社会システム科学、政治学、組織論、マネジメント、心理療法(家族治療を含む)と経済学その他を含めて多数の分野で見いだされる。

一般システム理論によれば、システムとは以下のようなものである。

システムは互いに作用している要素からなるものである。
システムは部分に還元することができない。
システムは目的に向かって動いている。

ひとつのシステムの中には独特の構造を持った複数の下位システムが存在する。下位システムは相互に作用しあいながら調和し、全体としてまとまった存在をなしている。一般システム理論は、早くから研究者が組織や相互依存の関係を述べる為に使われていた用語であった。部分から部分の組織まで;「構成要素」から「動的関係」まで移行するという点で、このシステムの考えは古典的な還元主義(その主題として一つの部分を持っている)の見地と対照的である。システムは、規則的に相互作用するか、あるいは、一緒になるとき、新しい全体を構成する活動/部分のグループを相互に関係づけられ構成される。ほとんどの場合、この全ては構成要素に見いだされることができない特性を持っている。

https://ja.wikipedia.org/wiki/一般システム理論

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質量(しつりょう、羅: massa、独: Masse、英: mass, quantity of matter)

質量という概念の内容や定義は、動力学、力学の歴史とともに推移してきている。物理学的には厳密には、動かし難さから定義される慣性質量 (inertial mass)と、万有引力による重さの度合いとして定義される重力質量 (gravitational mass)の 2 種類の定義があるが、現在の物理学では等価とされている。

慣性質量と重力質量の等価性は、たとえば重力加速度が落下する物体によらず定まることから知ることができる。物体に働く重力は重力質量に比例するが、一方で重力加速度は重力を慣性質量で割ったものなので、重力質量と慣性質量は比例していることが分かる。・・・質量は重さと混同される場合も多いが、異なる概念である。物体の重さとは、その物体が受ける重力の大きさを表し、重力が異なる場所では、たとえ同じ物体を用意したとしても、その重さは異なる。しかしながら、どちらの場合においてもその物体の質量は同じである。・・・バケツやコップに水を注ぐと、注いだ分だけバケツやコップの重さが増す。このことは、容器を変えても同様であり、水の量に応じて水の重さが変わることが分かる。また、同じ容器に水ではなく水銀などを入れると、同じ大きさの容器であるにもかかわらず、入れた物質によって重さが異なることが分かる。

このように、物の重さはその物の種類と量によって異なり、逆に同じ重さであっても異なる種類と量の物を用意することができる。このことから、様々な物体に共通する、物体の重さを支配する量が存在すると期待できる。後述するように、このような役割を果たす物体固有の量が、質量である。・・・物体を支える際に感じる「重さ」は、その物体を支えるものがなければ物体は落ちていってしまうので、物の落下する性質に関係する。物体が落下しようとする力を重力と呼び、これに関係する質量を重力質量と呼ぶ。重力質量の大きさは天秤を用いて測ることができる。同じ重力質量を持つ物体同士は重さも等しいので、天秤に載せると互いに釣り合う。基準となる物体を用意することで、基準に対する比として重力質量が定まる。

物体を動かす際に感じる「重さ」は、静止している物体は静止し続け、ある速さ運動する物体は同じ速さで運動し続けようとする性質、すなわち物体の慣性に関係する。これに関連する質量を慣性質量と呼ぶ。慣性質量は、たとえばハンマー投げのように物体を円運動させたときに感じる手応えによって知ることができる。慣性質量の異なる物体を同じように円運動させたとき、慣性質量が大きいほど円運動を維持するのに必要な力は大きくなる。

経験的に、慣性質量の大きな物体は重力質量が大きい、つまり動かし難いものはまた持ち上げ難いことが知られている。この事実から、慣性質量と重力質量の違いに因われることなく、物体の重さを感じることができる。この慣性質量と重力質量の関係性を直接的に示すものが落体の法則である。落体の法則によれば、自由落下する物体の運動は、物体の重力質量に依らず同じであり、このことから重力質量と慣性質量が等価であることが導かれる。重力質量と慣性質量の等価性から、両者を区別することなく、単に質量と呼ぶことができる。この現象は、基本的には一般相対性理論の等価原理によって説明される。

https://ja.wikipedia.org/wiki/質量

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質量保存の法則(しつりょうほぞんのほうそく、英: law of conservation of mass)

「化学反応の前と後で物質の総質量は変化しない」とする化学の法則のことである。現在は自然の基本法則ではないことが知られているが、実用上広く用いられている。素粒子論・核物理・宇宙論などを除く自然科学のほとんどの分野で実用上用いられている法則である。化学反応の前後で質量変化が実験的に観測されなかったことから生まれた法則だが、現在では相対性理論に基づく質量とエネルギーの等価性がより根本的な法則で、質量保存の法則はその近似に過ぎないとされている。もっとも、質量とエネルギーの等価性は自然科学の多くの分野では問題とならず、質量保存の法則は多くの場面で運用上有効な法則である。

物質の根源に迫ることを目的とした素粒子論や宇宙論などの研究対象においては、質量保存の法則は全く成り立っていない。たとえば培風館の物理学辞典には、かつて「物質は不滅だ」などと考えられていた時代があったので、こうした法則が主張されたが、「こうした考えは捨てなければならない」と書かれている。

核反応の世界では実験的に十分に測定可能なだけの質量変化が起こっており、反応の前後で元素の種類や各々の物質量も変化していく。さらに、素粒子論の世界では物質・質量の生成や消滅が広範に起こっている。これらの世界においては、質量保存の法則や物質の不変性・不滅性は全く成り立っていない。
化学反応においても、反応によって放出または吸収されたエネルギーに相当する質量変化が起こっており、質量は厳密には保存されていないとされる。そのことを考慮に入れると「化学反応の前後で、それに関与する元素の種類と各々の物質量は変わらない」という表現がより正確な表現となる。

フランスの科学者、アントワーヌ・ラヴォアジエは1774年、精密な定量実験を行った結果、化学反応の前後では質量が変化しないとの結論を得て、後にこれを「質量保存の法則」として元素の概念と共に提唱した。ラヴォアジエは、化学反応によっては元素が分裂して増加したり、消滅して減少したり他の元素に転化したりしない、と述べたのであった。 (なお、この考えから出発して、定比例の法則と倍数比例の法則が発見され、原子、分子及び化学量論の概念が確立してゆくことになり、ラヴォアジエは「近代化学の父」と呼ばれることになる。)

これらの考え方をさらに拡張して、物質は不滅であるとする「物質不滅の法則」が唱えられるようになった。しかし20世紀初頭にアルベルト・アインシュタインは相対性理論においてE=mc2という数式を提示し、質量とエネルギーは等価関係にあるとすることを提唱した(質量は消滅してエネルギーに変化しうる、とすることを提唱した)。相対性理論の有効性が明らかになると、質量保存の法則や物質不滅の法則は、自然の基本法則としては完全に破棄されることとなった。

質量保存の法則は、自然の基本法則ではないものの、素粒子論・核物理・宇宙論などを除く自然科学のほとんどの分野で実用上の基本法則として用いられている。これらの分野における質量保存の法則の妥当性は、質量の変化には極めて莫大な量のエネルギーの放出・吸収が伴うとするE=mc2の式から逆に保証される。したがって、化学実験などにおいて「質量保存の法則」や「物質不滅の法則」に反する結果が得られた場合は、質量保存の法則によらない反応が起こったと考えるのではなく、実験に不手際がなかったか、結果の解釈に問題がないかを十分に考察する必要がある。

https://ja.wikipedia.org/wiki/質量保存の法則

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重力(英:gravity)

地球上で物体が地面に近寄っていく現象や、それを引き起こすとされる「力」を呼ぶための呼称[1]。人々が日々、物を持った時に感じているいわゆる「重さ」を作り出す原因のこと。物体が他の物体に引きよせられる現象の呼称。および(その現象は《力》が引き起こしていると見なす場合の)その「力」に対する呼称。英語の gravity (グラヴィティ)の頭文字を取って、俗にG(ジー)と略されることがある。ただし、物理学の専門書や教科書においては慣習として、地球の重力は小文字のg、万有引力定数は大文字のGというように区別される。地球上のことについて論じている場合は、地球上の物体に対して働く地球の万有引力と地球自転による遠心力との合力を指している。

フランスのデカルト(1596年−1650年)は、著書において渦動説を展開し重力を説明した。世界にはエーテルが満ちており、ちょうど渦に木切れが吸い寄せられるように、エーテルに渦が起きるとその渦の中心に物体は引き寄せられる、こうして物体は地球に引き寄せられる、と説明した。

ドイツのケプラー(1571年−1630年)は、重力というのは似たもの同士が引き合う力(引力)であり、この引力は潮の満ち引きという(月の変化の周期と連動する)現象から推察するに、地球と月との間にも作用している、と見なした。

ガリレオ・ガリレイ(ユリウス暦1564年−グレゴリオ暦1642年)は重さと落下の速さとは無関係であることを実験で見出した。

オランダのホイヘンス(1629年−1695年)は1669年から1690年にかけてデカルトの渦動説を検討し精密化した。ライプニッツも渦動説の流れを汲んだ理解をしていた。

アイザック・ニュートン(1642 - 1727)は、天体の運動も地上の物体の運動もひとつの原理で説明できる、とする説(万有引力)を『自然哲学の数学的諸原理』で発表した。天界と地上の区別がとりはらわれており、宇宙全域の物体の運動を同一の原理で説明しており、地上のgravityというのも万有引力の一つの現れとされている。

また(上でも述べた)ホイヘンスは、遠心力の公式を発見した。地球の自転はすでに明らかになっていたので、重力は万有引力そのものではなく、万有引力と地球の自転による遠心力との合力だということになった。

エルンスト・マッハ(1838 - 1916)は、「慣性力は宇宙の全質量の作用として考えなければならない」とした。例えば、回転するバケツの水面をへこませる慣性力についてマッハは、「慣性力はバケツが絶対空間に対してまわったから発生したのではなく、宇宙の物質が回転するバケツに、ある作用を及ぼした結果、発生した」と考え、「バケツがまわることと、バケツを止めて宇宙をバケツのまわりに逆回転させることは同等である」とした(マッハの原理)。

マッハの原理は、アルベルト・アインシュタインの一般相対性理論により体系化された。一般相対性理論によれば、万有引力も慣性の力も等価(等価原理)であり、共に、時空の歪みによる測地線の変化である。ただ、万有引力と慣性の力とでは歪みの原因が異なるにすぎない。

アインシュタイン方程式からは、時空の歪みの源は質量ではなく、エネルギーと運動量からなるエネルギー・運動量テンソルで決まることがわかる。つまり、質量(エネルギーに比例)だけでなく運動量も時空を歪め、重力を生む。質量は引力を生むのに対し、運動量が生む重力は、引力でも斥力でもない慣性系の引きずりという形を取る。慣性系の引きずりは自転するブラックホールであるカー・ブラックホールで顕著である。慣性力も、地球外の全宇宙による慣性系の引きずりで説明できるとの見方が強い[要出典]。ただし、いまだ近似計算のみで、厳密な計算はなされていない。

素粒子物理学では、重力は自然界に働く4つの力のうちの一つとして扱われており、電磁気力、弱い力、強い力との統合が試みられている。だが、その試みがうまくいくのかどうか定かではない。なお、2010年にアムステルダム大学理論物理学院のエリック・ベルリンドにより、重力は存在しないという説も提唱された。近年では、一般相対性理論での重力を量子化し、量子重力理論にしようとする試みもなされている。ここでの重力とは、万有引力に限らず、慣性の力なども含めた重力の意味である。量子化された重力は重力子と名づけられている。

相対性理論においては、重力は質量に比例する力なので、その比例定数は加速度の次元を持つ。これが重力加速度である。重力以外の力がないときは(自由落下)、あらゆる物体は、質量その他の属性にかかわらず、重力により重力加速度に等しい加速度を受ける。これが落体の法則である。空間の各点における重力加速度は、重力場を構成する。

https://ja.wikipedia.org/wiki/重力

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