米国政府は科学研究への補助金に毎年数十億ドルを費やしており、米国の大学の理工系大学院プログラムは非常に優れているため、世界の他の地域から多くの最も優秀で優秀な学生を惹きつけています[出典: ]。しゃべるATMや通信衛星から、風味を保つために遺伝子組み換えされたスーパーマーケットのトマトに至るまで、驚異のテクノロジーに囲まれているアメリカ人は、科学に関してはかなり賢いはずだ。
さて、もう一度推測してください。不安な真実は、米国の成人は基本的な科学知識に関して恥ずかしいほど無知な傾向があるということです。 2009年のハリス・インタラクティブの調査によると、地球が太陽の周りを一周するのに1年かかったということを知っている人はわずか53パーセントで、『ザ・ザ・ワールド』のように最古の人類と恐竜が同時に存在しなかったことを知っている人はわずか59パーセントだった。フリントストーン」 [出典: ]。 2018年には、世論調査回答者の72パーセントが地球が太陽の周りを回っていることを知っており(つまり28パーセントは逆だと考えていた)、68パーセントはすべての放射能は人為的に作られたものであると誤って考えていた。
したがって、明らかに、普遍的な科学リテラシーに似たものを達成するには、かなりの道のりがあります。しかし、誰かがヒッグス粒子 、超並列スーパーコンピューティング、あるいは恐竜に羽毛があったかどうかをめぐる議論の激化について言及されると、どうしても話題を変えたくなる衝動に駆られる人は、心配する必要はありません。誰もが答え方を知っておくべき、本当に基本的な科学の質問 10 個への答えから簡単に始めましょう。
10: 空はなぜ青いの?
「青い空と白い雲が見える」とルイ・アームストロングは1968年の曲「What a Wonderful World」で歌った。彼の歌が楽観主義への賛歌であることを考えると、おそらくそうしたのでしょう。ヨーロッパの研究者は、スペクトルの青い部分からの光が感情にポジティブな影響を与え、私たちが感情的な刺激に対してより敏感になり、感情的な課題に対してより適応できることを発見しました[出典: ]。
しかし話は逸れます。空が青く見えるのは、 散乱と 呼ばれる効果によるものです。太陽光は地球の大気を通過する必要があります。地球の大気は、ピンボール マシンのバンパーのように機能するガスや粒子で満たされており、太陽光をあちこちに反射させます。しかし、プリズムを手に持ったことがある人なら、太陽光は実際にはさまざまな色で構成されており、そのすべてが異なる波長を持っていることをご存知でしょう。青色光は比較的波長が短いため、波長が長い色よりも容易にフィルターを通過し、その結果、大気中を通過するときにより広範囲に散乱されます。一日のうち、太陽が 空の高い位置にあるように見える時間帯に空が青く見えるのはこのためです (実際には、太陽に対して動いているのは、あなたが立っている惑星上の場所です)。
ただし、日の出と日の入りでは、太陽光線はあなたの位置に到達するまでに長い距離を移動する必要があります。これにより、青色光の波長の利点が相殺され、他の色がよく見えるようになります。これが、夕焼けが赤、オレンジ、黄色に見える理由です。
9: 地球は何歳ですか?
地球の年齢 については、人々は長い間、時には激しく議論し続けてきました。 1654 年に遡ると、聖書の創世記に基づいた計算を行ったジョン ライトフットという学者は、地球は 紀元前 4004 年 10 月 26 日のメソポタミア時間の午前 9 時ちょうどに創造されたと宣言しました。ビュフォン伯爵は、自分が作成した惑星の小さなレプリカを加熱し、その冷却速度を測定し、そのデータに基づいて、地球が約樹齢75,000年。 19 世紀、物理学者のケルビン卿はさまざまな方程式を使用して、地球の年齢を 2,000 万年から 4,000 万年に設定しました [出典: ]。
しかし、1800 年代後半から 1900 年代初頭にかけて、放射能 の発見によってこれらすべてが打ち破られ、すぐにさまざまな放射性物質の崩壊速度が計算されました。
8: 自然選択はどのように機能しますか?
地球の年齢と同様に、進化論(1800 年代半ばに生物学者チャールズ ダーウィンによって初めて開発された)も、人々が夢中になりがちなテーマです。古典的な映画「風を受け継ぐ」を見たことがあれば、おそらく 1925 年の悪名高いスコープス猿裁判についてすでにご存知でしょう。有名な弁護士クラレンス・ダローは、罪で告発されたジョン・スコープスという高校の生物教師の代理で弁論を行いましたが、敗訴しました。これは、人間が「下等な動物」の子孫であると教えることを禁じるテネシー州の法令に違反し、聖書の創造物語が唯一受け入れられる説明であると定めた[出典: ]。近年、子供たちに進化論に加えて「創造科学」を学校で学ぶよう要求して法廷や議会で戦ってきたのは反進化論者たちだ[出典: ラファエレ]。
そして、特に反進化論者を悩ませる考えがあるとすれば、それは自然選択 と呼ばれるダーウィンの中心的な概念です。それは理解するのが難しい考えではありません。自然界では、突然変異、つまり生物の遺伝的設計図に永続的な変化が起こり、祖先とは異なる特性を発現させる可能性がありますが、ランダムに発生します。しかし、進化、つまり動物や植物が複数の世代にわたって変化する長期的なプロセスは偶然ではありません。むしろ、その変化が生物の生存と繁殖に役立つ場合、生物の変化は時間の経過とともにより一般的になる傾向があります。
たとえば、一部のカブトムシは緑色ですが、突然変異により一部のカブトムシが茶色になると想像してください。茶色のカブトムシは緑色のカブトムシよりも周囲に溶け込むため、鳥に食べられる数はそれほど多くありません。むしろ、より多くの個体が生き残り、繁殖し、子孫を褐色にする遺伝子変化を伝える可能性があります。時間の経過とともに、カブトムシの個体数は徐々に茶色に変化します。もちろん、それは簡易バージョンです。実際には、自然選択は特定の個人ではなく平均に基づいており、それほどスムーズで秩序立ったプロセスではありません [出典: ]。
7: 太陽が輝きをやめる日は来るのでしょうか?
この質問は、別のポップソングであるスキーター・デイヴィスの1962年のシングル「The End of the World」を思い出させます。スキーター・デイヴィスは、彼氏にフラれたらしいのに、なぜ太陽が 輝き続けるのか不思議に思っています。この歌詞のうぬぼれは、輝く太陽であれ、木々の鳥のさえずりであれ、私たちの周りの現実は、私たちの壊れやすい小さな感情よりも耐久性があるということです。しかし実のところ、私たちの失恋した娘は、不幸にも早すぎて生まれました。それは、他の恒星と同様に巨大な核融合炉である太陽が、太陽光を生み出すための燃料として燃やす中心部の水素を使い果たし、周囲の層で水素を燃やし始める点である。
それが太陽の死のスパイラルの始まりとなり、太陽の核は縮小し、外層は大幅に膨張し、赤色巨星に変わる。最後の爆発で、太陽は太陽系を 熱の爆風で焼き尽くし、通常は極寒の冥王星付近やカイパーベルト (海王星の外側)を一時的に天体のサウナに変えるでしょう。地球を含む内惑星は 、瀕死の巨人に吸い込まれるか、あるいは燃え殻に変わる可能性が高い[出典: ]。
プラスの面としては、人類が他の星 の太陽系への植民地化に成功しない限り、この最後の地獄を経験する人は誰もいないでしょう。寿命のおよそ半分を迎えた太陽はすでに徐々に加熱されており、10億年後には現在よりも約10パーセント明るくなると予想されている。この太陽放射の増加は、地球の海を沸騰させ、私たちの種が生存のために依存している水を 失うのに十分です[出典: ]。
6: 磁石はどのように機能するのですか?
「[ピーピー]磁石 : どのように機能するのですか?」それはラッパーのInsane Clown Posseが数年前にシングル「Miracles」で投げかけた質問で、「サタデー・ナイト・ライブ」のスナークマイスターらは容赦なく彼らを嘲笑した。それは残念なことだった。なぜなら、それを熟考するのはまったく当然のことだからだ。磁石とは、磁場を持つあらゆる物体または材料です。つまり、その周りを同じ方向に流れる電子の束です。さて、電子は、ピエロのマスクをかぶり、よく罵り、フェイゴコーラを飲むデトロイトのラッパーのようなものですが、ペアで結合することを好み、鉄には不対電子がたくさんあり、それらはすべてアクションに参加しようとしています。したがって、固体の鉄であるか、鉄が多く含まれている物体 (たとえば、釘) は、十分に強力な磁石に引き寄せられることになります。磁石に引き付けられる物質や物体は強磁性体と呼ばれます[出典: ]。
人類は磁気現象について長い間知っていました。ロードストーンなどの自然に存在する磁石はありますが、中世の旅行者は、鋼製コンパスの針をそれらの石にこすり付ける方法を発見し、電子を拾って磁化することで、独自の磁場を開発しました。これらの磁石はそれほど耐久性がありませんでしたが、20 世紀に研究者は新しい材料と充電装置を開発し、より強力な永久磁石を製造できるようになりました。
5: 虹の原因は何ですか?
この大気現象には、古代から人々に畏敬の念を抱かせる何かがあります。創世記の中で、神は大洪水の後に空に虹をかけ、それが「私と地球との契約のしるし」であるとノアに告げました。
しかしそれ以来、科学者たちはそれをかなりうまく突き止めてきました。基本的に虹は、暴風雨の後に大気中に浮遊した水滴によって発生します。水滴は周囲の空気とは密度が異なるため、太陽光が当たると水滴は小さなプリズムとして機能し、光を曲げてその成分の波長に分割し、私たちに反射します。これにより、私たちが目にする可視スペクトルの色の帯を含む円弧が作成されます。水滴が私たちに向かって光を反射する必要があるため、虹を見るためには、私たちは太陽に背を向けて立っている必要があります。また、地面から約 40 度の角度で見上げる必要があります。これは虹の偏角、つまり太陽光を曲げる角度です。興味深いことに、飛行機に乗っていて上空から虹を見ると、実際には円弧ではなく円盤のように見えることがあります [出典: ]。
4: 相対性理論とは何ですか?
誰かが「相対性理論」に言及するとき、実際に意味するのは、1900 年代初頭に理論物理学者のアルバート・アインシュタイン によって考案された 2 つの理論、特殊相対性理論と一般相対性理論です。
これは実際にそれをかなりうまく要約していますが、詳細はもう少し複雑です。アインシュタイン以前は、空間と時間は固定された性質であり、決して変わることはないとほとんど誰もが信じていました。それは、地球上の有利な地点から私たちにそう見えるからです。しかし、アインシュタインは数学 を使って、物事の絶対的な見方が幻想であることを示しました。その代わりに、空間と時間は両方とも変化する可能性がある、と彼は説明した。物体が強い重力場にさらされたり、非常に速く移動したりすると、空間は収縮、拡張、または湾曲する可能性があり、時間の経過速度も同様に変化する可能性がある。
さらに、空間と時間がどのように見えるかは、それらを観察する人の視点によって異なります。たとえば、針が時刻を知らせる昔ながらのカチカチ音を立てる目覚まし時計を見ていると想像してください。さて、その時計を地球の周りの軌道に乗せると、地表上のあなたの位置と比べて非常に速く動いていることを想像してください。もし時計の針がまだ見えるとしたら、地球上で見るよりも時計の針が小さく見え、時計の針が刻むのが遅くなるでしょう [出典: コーネル大学]。
「時間の遅れ」と呼ばれる現象により、時計の進みが遅くなります。空間と時間は実際には時空と呼ばれる 1 つのものですが、重力や加速度によって歪む可能性があります。したがって、物体が非常に速く動いている場合、または非常に強力な重力が 作用している場合、同じ力を受けていない物体と比較して、その物体の時間は遅くなります。数学的計算を使用することで、高速で移動する物体の速度がどのくらい遅くなるかを予測することが可能です。
それはおそらくかなり奇妙に聞こえるでしょう。しかし、私たちはそれが実際に真実であることを知っています。 GPS は、衛星が正確な時間の測定に依存して地球上の地図の位置を提供することを証明しています。衛星は時速約 8,700 マイル (14,000 キロメートル) で地球の周りを飛び回っており、エンジニアが相対性理論を補正するために時計を調整しなかった場合、1 日以内にスマートフォンの Google マップで表示される位置は 6 マイルになるでしょう。 (9.86 キロメートル) 沖合 [出典: ]。
3: 泡はなぜ丸いのですか?
そうですね、実際には、シャボン玉を吹くおもちゃを使ったことがある人ならお気づきかと思いますが、シャボン玉は常に完全な丸いわけではありません。しかし、泡は球形であることを望んでおり、最初に葉巻型の泡を吹くと、形状を変えるのに苦労します。それは、泡は基本的に液体の薄い層であり、その分子は互いに引き付けられるためにくっつきます。これは凝集 と呼ばれる現象です。層の内側では、閉じ込められた空気分子は、水に押し付けられても外に出ることができません。しかし、その層に作用する力はそれだけではありません。外側では、より多くの空気が内側に押し込まれています。液体層がこれらの力に抵抗する最も効率的な方法は、体積と表面積の比率の観点から、最もコンパクトな形状、つまり球形をとることです [出典: ]。
興味深いことに、科学者たちは、表面の形状を研究できるように、丸くない泡を作る方法を見つけ出しました。彼らは、所望の形状に成形されたワイヤーフレーム上に液体の薄い層を懸濁することによって、立方体、さらには長方形の泡を作成することができる[出典: ]。
2: 雲は何でできているの?
ジョニ・ミッチェルのファンをあまり失望させないことを祈りますが、雲は 実際には天使の髪の弓や空中に浮かぶアイスクリームの 城ではありません。雲は、地表上に浮遊する水滴、氷の結晶、またはその両方の混合物の目に見える塊です。湿った暖かい空気が上昇すると雲が形成されます。空気がより高く上昇し、より涼しい空間に到達すると、湿った暖かい空気も冷やされ、水蒸気は冷たさの度合いに応じて小さな水滴や氷の結晶に凝縮します。これらの液滴と結晶は、以前に説明した凝集の原理により、固まったままになります。その結果、雲ができます。一部の雲は他の雲よりも厚くなっています。これは、たまたま水滴の密度が高いためです。
雲は地球の水循環の重要な部分であり、水は地表と大気の間を絶えず移動し、液体から蒸気、液体、そして時には固体へと状態が変化します。もしそのサイクルがなかったら、おそらく私たちの地球上には生命は存在しなかったでしょう[出典: ]。
1803 年、ルーク ハワードという気象学者は 4 つの主要な雲の分類を考案しました。その名前はラテン語に基づいていました。 Cumulus は ラテン語で「山」を意味し、空によく見られる、山積みになってゴツゴツした雲を表します。 「髪」を意味する巻雲は 、髪の束のようにうっすらと見える高層の雲を表す用語です。シートを形成する平らで特徴のない雲は「層」 と呼ばれます。これはラテン語で「層」を意味します。最後に、乱雲 (実際の名前はラテン語で「降水雲」を意味します) は低い灰色の雨雲です [出典: ]。そして時にはそれらが組み合わさって、雷雨の前に見られる非常に高い灰色の塊状の雲のように、積乱雲 と呼ばれます。
1: なぜ水は室温で蒸発するのですか?
私たち人間は、現実を、どこか別の場所に移動させたくない限り、さまざまなものが同じ場所に留まる、素晴らしく安定した場所であると考えることを好みます。しかし、夢を見てください。実際、水 を分子レベルで見ると、分子が互いにぶつかり、位置を求めて押し合いながら、犬のベッドに群がる子犬の群れのように機能します。空気中に大量の水蒸気が存在すると、分子が表面に衝突して付着するため、湿気の多い日に冷たい飲み物の外側に結露が発生します。
逆に、空気が乾燥すると、カップに入った水の中の水の分子が空気中に跳ね上がり、周囲に浮いている他の分子にくっつく可能性があります。そのプロセスは蒸発と呼ばれます。空気が十分に乾燥している場合、空気から水に付着する分子よりも多くの分子がカップから空気中に飛び込みます。時間の経過とともに、水は空気中に分子を失い続け、最終的には空のカップになります [出典: ]。
液体の分子が空気中に押し出されて空気に付着する能力は蒸気圧と呼ばれます。これは、何かに押し付けられる気体や固体と同じように、飛び跳ねる分子が力を発揮するためです。液体が異なれば蒸気圧も異なります。マニキュアの除光液であるアセトンなどの液体は蒸気圧が非常に高いため、容易に蒸発して空気中に放出されます。対照的に、オリーブオイルは蒸気圧が非常に低いため、室温ではあまり蒸発しません[出典: ]。
著者メモ: 答え方を知っておくべき 10 の科学の質問
私は 8 歳の頃から科学とテクノロジーに魅了されてきました。当時、核物理学から恐竜まで幅広い主題を扱った「How and Why Wonder Books」と呼ばれるシリーズを熱心に読んでいました。本に書かれている実験を再現しようとしたり、両親を騙して電池、ワイヤー、アルミホイル、その他必要なものを用意してもらいました。科学分野でのキャリアを追求することもできたかもしれませんが、高校のときに自分は数学が嫌いで、自分で作業するよりも実験や研究を他の人に説明する方が得意であることに気づきました。現在、私は 知恵袋ブログ で執筆することに加えて、Science Channel Web サイトのブロガーとしても活動しています。