トピックス
茂木健一郎 脳科学
電磁波 と 音波
一般的には、次のように言われています。
- 電磁波（光、電波など）は、空気中でも真空でも伝わる
- 音波は、空気や物質を伝わるが、真空中は伝わらない
そして、それらのことは、科学的な実験によっても裏付けられていると思います。
一般的な理解は正しいということはわかります。
しかし、これまで説明してきた、開いた空間とか閉じた空間とかいうことを考えいると、次のような疑問が湧いてきます。
- なぜ、音波は、空気中を伝わるのか？
- ついでに、なぜ、固体や液体を伝わるのか？
私が理解していた、物質の３態のイメージを簡単に図にすると次のようなものになります。
しかし、このようなイメージで考えると、音波の伝わる理由が説明できません。
そこで、これまでの妄想を、ここへ組み込んでみまたのが次の図です。
物質の３態の正体は
- 原子や分子の１つが形成する空間の違い
のような気がします。
空間の妄想の話で言い換えれば、物質の３態は、
- 閉じた空間は、相互に何らかの振動の共有をしすることで結びついている
- この振動の共有が生じるポイントの、各閉じた空間の中心からの距離の違いによって、固体・液体・気体というように、状態が変化する
ということです。
こう考えれば、原子や分子が形成する空間は常に密接しているため、音波という波動が、空気中を伝わる現象を説明できるように思うのです。
- 音波は、閉じた空間を伝わる波（原子や分子が形成する各セルの弾性が波を伝える原因）
こう考えれば、流体力学が気体にも適用できることも納得できそうに思います。
ちなみに、開いた空間には明確な境界がないため、弾性もないだろうと想像できます。
そう考えれば、開いた空間のつながりである真空（当サイトでの仮定）中を、音波が伝わらないという事実とも合致してしまいます。
また、自然現象の中に、夜光雲というものがあります。
その現象も、この気体結合という解釈で説明できそうな気がしています。
【補足】
固体化した分子の大きさ（体積）を、約1.7×10-29
m3 としたら、気体化した分子の大きさ（体積）は約3.4×10-26
m3 （モル体積 WikiPedia の数値を基に概算）となります。これを書きながら、そう言えば、中学校の頃に、「液体が気体になると、体積が1000倍になる」って習ったことを思い出しました。
でも、中学の頃は、「気体分子の運動によって、体積が生じる」といった感じに習ったと記憶しています。
しかし、このページの説明はそれとは異なり、「気体分子自身の大きさが、1000倍になる」と解釈しています。
真空放電という現象があります。
それは、つぎのようなことなのかもしれません。
- 気体結合には絶縁性がある
- 真空ポンプなどで空気を抜いていくと、気体結合が切断され、次第に絶縁性が弱まっていく
- 真空を電流は流れる
（＝ 開いた空間（！？）を電流は流れる）
気体結合 －＞液体結合 －＞ 固体結合 金属結合 －＞ 超伝導体結合 という変化とともに、電流の流れ方も変わるのかも・・・
詳しくは、また別のところで妄想してみたいと思います。
また、外部からのエネルギーの供給が絶たれたときの、変化も説明しやすくなります。
例えば、空気を冷やすと、空中の水分は凝結（結露）という現象によって、水滴になります。
普通に考えれば、それぞれの分子のエネルギー状態が減少したまま、互いに影響を与えることなく、空中に存在しても良さそうに思えます。
しかし、水分子は集まって、水滴を形成します。
なぜ、気体となって空中に散在しているはずの多くの水分子が１つのポイントに集まって水滴になるのでしょうか？
これを理解するために、気体状態になっている水分子は気体結合していると考えると、うまく説明することができます。
- エネルギーの供給が絶たれたことによって、水分子中心から遠いポイントでの振動の共有（つまり、気体結合）ができなくなり、より近いポイントでの振動共有（つまり、液体結合）をする状態に変わった（つまり、液体に変わった（液化した））
ついでにもう一つ。
- なぜ、空気が宇宙空間に逃げ出さずに、多くの気体が地球表層部にとどまっているのか？
私が過去に得た知識によれば、それは、地球の重力によって実現しているということになっています。
でも、それだけでは、説得力が弱いと感じていました。
しかし、気体結合していると考えることによって、私の妄想の中で、これまで宇宙空間に逃げ続けていた気体が、ようやく、地表にとどまるようになりました。
もう一つ。
ブラウン運動について。
昔、中学生の時に、理科の実験で、ブラウン運動を観察したことがありました。
それがとても不思議な現象であったこと、そして先生のそれに対する理論的な説明に感動したことを思い出しました。
インターネットで検索してみると・・・、「おー、そうそう、こんな感じ！」と懐かしさを感じる画像を発見しました。（画像をお借りしたサイトに、実験方法などが詳しく解説されています。）
画像 ： ブラウン運動の観察 より
さて、中学校の時の記憶を思い起こすと、このブラウン運動、空気の分子が煙の粒子にぶつかる反動で、煙の粒子が不規則に動きまわると習ったように思います。
しかし、今、改めて考えると、
- 煙の粒子は、気体分子に比べて十分に重い。
- また、衝突の確率も、あのような高確率になるものか・・・？（直感的に・・（汗））
ということから、気体分子が、ぶつかったところで、あのような激しい動きが生じるとは考えにくいと妄想しています。
これも、
- 気化した分子が気体結合によって、分子が占有する空間が隙間なく広がっている
- その気体空間のせめぎ合いによって起こっている
と考えるとつじつまが合うように思います。
- 気体結合によってできる空間によって隙間なく埋め尽くされ、その気体空間同士のおしくらまんじゅうによって、煙の粒子が行き場を求めて右往左往している
それが、ブラウン運動の正体なのかもしれません。
化学の実験で生成されたオイル状の有機化合物を結晶化させようとしても、なかなかうまくいかないことがあります。
思考錯誤を繰り返しても、なかなか結晶化しない。
でも、偶然にでも、一旦、結晶化してしまう。
すると、「その研究室では、それまで結晶化しなかったのが嘘であるかのように、簡単に結晶化するようになる」という、都市伝説的な話があります。
それも、「この分子の空間への広がり」という解釈をもとに考えると、「空気中の水蒸気が水滴に凝縮するのと似たような原理で結晶化しやすくなる」と、考えられるのかもしれません。