【科學三分鐘 - 讓光停留一分鐘】

今年七月，德國物理學家發表他們的研究成果，讓一束光在晶體裡停留一分鐘。我們知道光在真空中的速度大約是每秒三十萬公里，可以繞地球七圈半，到底是什麼技術，可以讓速度這麼快的光停下來呢？請聽今天的科學三分鐘，主題是：讓光停留一分鐘。

http://www.ic975.com/Main/Rundown.php?id=17414

我們知道電磁波以光速傳播，光是電磁波的一種，手機用的無線通訊訊號也是電磁波。光速快到什麼地步？在真空中，光速大約每秒三十萬公里，從地球到月球，一分鐘足夠來回20趟。但德國的科學家，卻讓光停留了足足一分鐘。


他們利用的是「電磁誘發透明」技術，簡稱EIT技術。簡單來說，就是發射一束控制用的雷射光，激發某種晶體的量子效應，這個晶體，原本對於某個探測用的雷射光是不透明的，但是當它被控制雷射激發之後就會變為透明。接著，科學家再把探測用的雷射光射入晶體內，然後關掉「控制雷射」，讓晶體變回「不透明」。這時候，晶體中的原子狀態包含了原先「探測雷射光」的各種訊息，這個探測雷射光就相當於被「停住」了。然後，再把晶體變得透明，這個探測雷射光可以重新從晶體中射出來，不會損失能量，也不會有任何改變。

這項技術在十多年前就已經被發展出來，但是光可以被停止下來儲存的時間很短。經過多次實驗，科學家不斷延長光停止的時間，直到今年德國的科學家哈夫曼、海因斯等人，才終於達到停留一分鐘的歷史紀錄。


男：「讓光停留一分鐘？這樣有什麼用嗎？」

女：「這是一個開始嘛，很多基礎的科學研究，也是過了很久我們才發現，其實它們有很大的用處！」

男：哦~ 是這樣子喔…」

女：「不然我們來查查看好了……這個技術的實際應用，好像真的有耶……」


讓光停留一分鐘，有什麼用呢？重點在於，德國科學家射入晶體內部並且停下來的光，可以儲存資料。比方在這次實驗當中，停留的光束中就儲存了一個簡單的圖像。而且在停留一分鐘後，重新射出來的光束裡，這個圖像仍然存在。

這個裝置，很像手機或電腦中的記憶體，只是改用「光」來儲存資料。現在的電腦，體積愈來愈小，運算速度愈來愈快，但是要做得更快，卻愈來愈困難。於是許多科學家嘗試發展「光學電腦」，或直接稱為「光腦」，透過量子力學的效應，未來可能直接把資料儲存在光束裡面，甚至進行高速運算，比現在的電腦快上許多倍，體積也會更小。

從這點看來，德國物理學家的這項技術，就很有應用的潛力。只要能利用光束儲存資料，並且控制光的速度，要它快就快，要它停就停，將來就可望發展出光學電腦的記憶體和處理器。未來他們的研究方向，將致力於用一個單一的光子來儲存資料，如果成功，光學電腦的儲存與運算能力，將會更為驚人。


今天的科學關鍵字，就是

靜止光　stopped light

您可以透過這個關鍵字，進一步查詢或做延伸閱讀。

Section III Wave Motion
3.2.1 Light: Electromagnetic Spectrum
X-ray, Gamma ray

【まとめのまとめ】
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宇宙について教えてください。

なんでもいいので…



とても大きいです



宇宙ってどんどん膨張してるらしいが

宇宙の外側には何があんの?

何かがあるから拡れるんだよね?

何もなければ宇宙の果てが
存在するってことになるし…



地表が世界の全てであり
平面だと思っている蟻さんの
気持ちになってみよう。

地球がどんどん膨張したら
蟻さんにとっての宇宙は膨張するが、

地表に外側はないし果てもない。

蟻さんが二次元だと信じている世界は

実は三次元の球体の表面に
過ぎないけれど

蟻さんはそれを知覚して
いないのだから。

で、人間が永らく三次元だと
思っていた宇宙は実は
四次元の時空だったという

こと。

三次元的な果ても外側も
ないけれど膨張している。



ということは宇宙の謎を
解けば四次元ポケットの
開発も夢ではないということか…



蟻さんが高い知能を持って
いるとしよう。

地表は実は平面ではない
のではないか?
アインシュタインと呼ばれる蟻さんが

どうしたらそれを確かめる
ことができるかを考えた。

そして、できるだけ大きな
三角形を地面に描いて内角の
和を求め、

それが180度

ちょうどであれば地表は
平面であると証明できる
ことに気がついた。



で、実際に測ってみたら
地表に描いた三角形の内角の和は

180度より少し大きかった。

蟻さんたちは地表は
平ではなく二点間の最短
距離である直線は、

曲がった地表に沿って湾曲
していることを知った。

人類は今ここ。



続きあったんですね!

ありがとう!わかりやすい!



＞そして、できるだけ大きな
三角形を地面に描いて内角の
和を求め、

それが180度
ちょうどであれば地表は
平面であると証明できる
ことに気がついた。

三角形の内角の和=180度=平面?

ごめんなさい、あたまが弱くて(涙)



宇宙のこと考えると眠れなくなる



考えるな

感じろ



宇宙は広かった



宇宙は、脳と構造が似ていて、

人の脳の中に宇宙がありその
中の人の中にまた宇宙が
あって無限ループになる。

と聞いたのですが。

どこらへんの構造が、

似てるの?



似てないと思う。



証拠写真



おもしれー。

似てる似てる。

あれだな、世の中結局、
引き合う力と反発する力の
さじ加減で出来てる

わけだからいろんな
スケールで似たような構造が
見つかるんだな。



これの中心が自分として

自分に関わる人間関係も
こんな風になったりしてね、

なーんちゃってwwwwww



ほぼ同じことを考えた
フーリエはそのアイディアで
本一冊書いたよ。



脳のシナプスと宇宙の
銀河系の広がりかただよな

太陽系の形=太陽の重力で
惑星が太陽の周りを回っている

銀河系の形=渦を巻いている

銀河系のほど大きな物は
重力の力では無理

しかし全ての銀河系が渦を
巻いているような形をして
いるのは何らかの力が働いているから

その未知なる力=
ダークマターと呼ばれている



四次元はx.y.zにt(時間)
って最近聞くけど

ぼくらが自在に操れるのはx
.y.zまでで

t(時間)を自在に操れる
ようにするのも理論上は可能
…らしいよね?

その先の5次元、6次元、
7.8.9.無限大次元

どーなってんの?



ごめん。

わかりません。



次元と言うのは軸の数だと思えばいい

一本の線がある、これが1次元

この線に垂直に線を引くと2次元

両方の線に対し垂直に線を
引けば3次元

3本に対して垂直に線を
引けるのが4次元空間だ



光速度は観測者によらず
一定で秒速30万km。

十分に重い天体の脱出速度は
光速以上になるため光すら脱出できず

ブラックホールと呼ばれる。

遠目にはただの重い星に
過ぎないが見ることはできない。



結局、とてつもなく大きく
とてつもなく長い時間を扱う宇宙論と

逆にとてつもなく小さく
とてつもなく短い時間を扱う
素粒子論の

分野はわからないことだらけ。

で、宇宙誕生

(ビッグバン)

の瞬間はその両方があわさるので

一層わからないのが実情です。

まだまだ俺たちは蟻さんと
変わらんのよ。



ありがとう、不思議な
気持ちになりました



宇宙の端っこは透明の壁に
なってるんじゃないんだ



宇宙って語りだすときりなく
なるよね…

俺は好きだけど…



宇宙の大規模構造は宇宙
誕生の謎を解く数少ない有力な鍵。

インフレーション以前の
量子的揺らぎで説明される、

らしい。



暇だから続き。

蟻さんよりだいぶ賢くなった
ギリシャ人は夜空の星や太陽、

月の動きを観察しながら
いろんなことに気がついた。

例えばシエナでは夏至の
正午に太陽が真上に来るため一瞬、

垂直の塔は影がなくなる。

同じ日にシエナより北の
アレクサンドリアではその
ようなことは起こらず

塔の北側に短い影ができる。

ギリシャ人はこのことから
地球が丸いことを知った。

アレクサンドリアとシエナの
距離は分かっているので

地球の直径が約
12000kmであることも
簡単な計算から突き止めた。

もともと地中海の海洋民族として、

北極星の高さが南に行くほど
低くなること、

船に乗って陸地に近づくと
水平線の向こうにはじめに
山頂から見え出すことを

知っていたので地球が丸い
ことはさほど意外では
なかったらしい。



太陽と月の動きも記録して
いたギリシャ人は地球の影に
満月が入ることで

月蝕が起こることも知った。

注意深く観察すると地球の
影は月四つ分の大きさがある
ことも月蝕の長さ

から突き止めた。

つまり月の直径は約3000km。

月の見かけの大きさから、

地球から月までは約
380000kmである
こともギリシャ人は突き止めた。



そんな優秀なギリシャ人が今は…

先祖に対する冒涜だな現代
ギリシャ人wwwwwwww



次に、より遠いと思われる
太陽までの距離を知りたい。

ギリシャ人は考えた。

月と地球と太陽が成す角度が
ちょうど90度の瞬間、

太陽が無限に遠ければ月は
ちょうどぴったり半月になるはず。

ところがその瞬間の月はやや
満月に近い。

これはこの位置関係では
太陽が若干月より地球に近い
ために起こると考えられる。

このわずかなズレから
ギリシャ人は太陽は月より
およそ300倍以上遠いこと、

おそらく太陽の直径は地球の
100倍ほど大きいという
結論に達した。



さらに惑星や星座を
散りばめた天球までの距離も
まったく正しい方法で

求めようとしたが残念ながら
観測機器の精度が不足して
おりこれは失敗した。

(望遠鏡も時計も数字に
ゼロもない時代だから仕方ない)

ただ、ギリシャ人は
天球までの距離は5億
km程度と想像していたらしい。

これは現在知られている
木星と土星の間くらい。

次回予告

ケプラー、ガリレオ、ニュートンの巻



この勤勉さを現代
ギリシャ人に教えたれ



思い切りはしょる。

ティコの観察をもとに
ケプラーが惑星運動の法則性を発見、

これをニュートンが
万有引力と運動方程式で
数学的に説明し尽くす。

天王星と海王星の発見こそは
ニュートン力学の圧倒的な勝利、

天文学者は幸福であった…

次回予告

マクスウェル、
マイケルソン・モーリー、

アインシュタイン、ハッブル



19世紀になって電気と
磁気との関係が明らかになり
電磁波の存在が予測され、

マクスウェル方程式からは
真空中の電磁波の伝播速度が
計算された。

それは既に知られていた
光速と一致するため、

光は電磁波の一種である
ことが判明した。



海が一面無風であるとしよう。

夜、船の甲板に立って顔に
当たる風の向きと強さを知ることで、

水夫は船がどの方向にどの
ような速度で進んでいるかを
知ることが出来るだろう。

マイケルソンとモーリーは
様々な方向で光速度を厳密に
測定することで

地球が宇宙の中でどのように
動いているかがわかるはずと考えた。

とりあえず公転方向とそれに
直行する方向で光速を測ってみた。

同じだった。



これは地球が宇宙の中で静止
していることを示している
のだろうか。

そうは思えない。

そこでアインシュタインの登場です。

需要があるなら明日に続く。



分かり易い!

是非とも続きを



あんたの文章にはロマンを感じるよ



俺の文章というより物理学
そのものにロマンが
あるからだと思う。

それをすべて切り捨てて
なるべく面白く書かないよう
工夫しているのが

物理の教科書なんだよな。



わかりやっす。



光速度が観測者の運動や
光源の移動にかかわらず
一定であるという観測事実は

ニュートン力学と矛盾する。

(実はマクスウェル
方程式とは矛盾しない)

マッハとかローレンツとか
フィッツジェラルドとか
当時の天才・秀才たちが

虚空を充たすエーテル
(真空を充し光を伝播する
想像上の物質=イーサネットの

イーサ

(Ether)のことね)

の引きずりとか渦巻きとか
摩擦とか仮定して苦労して

いいところまで行くのだが
うまくいかないし美しくない。

アインシュタインだけは光
速度一定が神の定めなら
ニュートン力学を忘れよう、

光速度一定からスタートして
世界観を再構成しようとした。

速さ=距離/時間。

速さが変化すべきなのに変化
しないなら、

距離と時間が変化したんじゃね、

と。



虚空に浮かぶ船の甲板にいる水夫。

顔に風は感じない。

目印になる島も星も水面もない。

彼は船が動いているのか
止まっているのか

知るすべもない。

(加速・減速していない
ことだけはわかる)

時折、水平線の向こうから
別の船が近づき水夫の
横を等速でまっすぐに通り

過ぎていく。

相手の船の甲板にも水夫が
いて髪はなびかず彼もまったく風を

感じていないらしい。

虚空を無数の船が思い思いの
方向に進んでいる。

どの船の水夫も風を感じていない、

という状況。

いったいどの船が動いていて
どの船が止まっているのか。

わかるわけがない。

わかるのは自分に対して
相手がどのように動いているかだけ。

どの船も自分は止まっていて
相手が動いていると感じている。



実は止まっているのも動いて
いるのも同じことで絶対的な
基準となる

座標系はこの世界には存在しない、

あるのは相対的な運動だけ。

どの船で測っても自分は静止
しているから光速度は一定。

ここまで考えた
アインシュタインは学生時代
唯一自分より数学の成績が

良かった奥さんに面倒な計算を任せ、

特殊相対性理論を完成させた。



水夫は船の上で光速度を測ってみる。

とりあぜ船首から船尾まで
光が到達する

時間を測った。

横を通過する船

(同じ長さね)

の上でも水夫が光速を測って
いるのが見える。

その様子を見ていると、

船首から発射された光が
船尾に到着するまでに船が
前進しているので、

わずかにこちらより短い
時間で光が到着している。

しかし相手から見れば自分が
静止していてこちらが動いて
いるのだからまったく逆の
ことを言う。

つまり、お互いに相手の船は
自分の船より短いようだ。

それでいて同じ時間で

光が到着しているというなら
そちらの時計は遅れている。

と言い合う。



の続き

要するに特殊相対性理論の結論は、

・光速度不変(大前提)

・慣性系はすべて平等

・運動する系の時間は遅れる

(静止系から見て)

・運動