共鳴という用語には多くの意味があり、同じように多くの意味合いがあります。辞書は、共鳴を「深く、豊かで、反響する音の質」と定義しています。物理学の教科書では、共振を「表面からの反射または隣接する物体の同期振動による音の強化または延長」と定義している場合があります。オペラ歌手が適切なピッチをたたき、その声でグラスを割るときに使用されることがあります。人やショーをすぐに楽しんだときに共鳴すると言う人もいるかもしれません。
音響に加えて、共鳴の概念は、物理学者が宇宙の仕組みを理解するのに役立ちます。他の方法では見えないかもしれない亜原子粒子を見つけるのにも役立ちます。共鳴の物理学を見てみましょう。私たちが故郷と呼ぶ宇宙の理解に近づくにはどうすればよいでしょうか?
試してみる
ほとんどの人は、素粒子は静止していると考えています。真実は正反対です。宇宙のすべてを構成するこれらの小さな粒子は、常に動いています。素粒子は回転し、それらを動かす角運動量の形を生成します。スピンは、量子力学で特定された角運動量の 2 つの認識されたタイプのうちの 1 つにすぎません。軌道角運動量はもう一方ですが、スピンには古典的な対応物がありません。軌道角運動量は、古典的な角運動量に相当します。
亜原子粒子を見つけることができたとしても、必ずしもこまのように回転しているとは限りません。それらが微視的なトップである場合、私たちはまだそれらを発見していません.それらは方向を変えることができますが、素粒子のスピンを速くしたり遅くしたりすることはできません。量子物理学では、半整数のスピンを持つ粒子はフェルミオンと呼ばれ、整数のスピンを持つ粒子はボソンと呼ばれます。この種の半双極子スピンまたは完全双極子スピンは、物理学者が共鳴として測定できるものです。
電子同士の会話
中性子、陽子、電子という、ほとんどの人がよく知っている 3 つの基本的な原子構成要素があります。中性子と陽子は原子核を構成し、電子はその原子核の周りを回っています。これらの原子は、イオン化として知られるプロセスである電子を獲得または失うことによって電荷を発生させることもできます。欧州 XFEL と自由電子レーザー科学センターの共同研究により、これらの電子が原子間を移動する際に、これらの電子が殻の間の空間にぶら下がっている場合があることが発見されました。
このハング タイムは長くは続かず、1 フェムト秒未満です。その短い一時停止は、電子殻間に測定可能な共鳴を生成するのに十分です。本質的に、電子は互いに話し合っています。この種の素粒子の会話は、物理学者が分光器で観察できるほど特徴的です。また、キセノンなどの希ガスで観測された巨大双極子共鳴を測定するツールにもなりました。この 巨大な双極子共鳴 は希土類金属にも現れ、はるかに広いエネルギー スペクトルをカバーします。理論的には、これらの大きな共鳴スパイクは観察しやすいでしょう。このコラボレーションまで、このユニークな亜原子スピンを深く調査するためのツールはありませんでした。
この研究では、巨大双極子共鳴が2つ以上の共鳴波で構成されている可能性があることも発見しました。この発見は、亜原子粒子とそれが生み出す共鳴についてまだ発見されていないことがたくさんあることを証明しています
素粒子のワイングラスのように
レゾナンスは、才能のある歌手がグラスを 1 つの完璧な音で粉砕することについて話すときに最も頻繁に言及されます。歌手が自分の声を操作してワイングラスの正確な周波数に合わせることができれば、ワイングラスを粉々にすることができます。その壊滅的な行為を引き起こすには、ガラスに微視的な欠陥がなければ、粉々になる可能性が低くなることに注意することが重要です。
宇宙のすべてのものには共鳴周波数があります。理論的には、材料の共振周波数を発見し、一致する周波数を生成できれば、少なくとも完全な条件下では、それを使用してそのオブジェクトを破壊できます。ほとんどの場合、これらの条件は研究室の外では存在しないため、間違った曲を演奏したり、車のタイヤが飛び散ったり、家の窓が粉々になったりする心配はありません。
素粒子は平均的なワイングラスよりも少し小さいかもしれませんが、それらが生み出す共鳴は非常に似ています.これらのエネルギー波は、反応して振動したいシステムを通過します。振動できるものはすべて振動し、それらのピークのそれぞれは共鳴粒子を示します。
磁気共鳴による核への移行
核磁気共鳴 (NMR) を簡単に調べずに、共鳴の物理を理解することは容易ではありません。物理学者は、核磁気共鳴を「外部磁場にあるときに磁気モーメントを持つ原子核による電磁放射の吸収であり、主に分析技術や身体の画像診断に使用される」と定義しています。
共鳴の物理学の私たちのアプリケーションは、素粒子を超えて拡大します。 MRI (磁気共鳴イメージングの略) を使用したことがある場合は、共鳴が可能なことのいくつかに既に遭遇しています。 MRI は巨大な磁石を使用して磁場を生成します。 MRI の強力な磁石は、体の電磁界のバランスを崩します。細胞内の陽子は磁場に逆らって歪みます。技術者が磁石をオフにすると、陽子は再整列しながらエネルギーを放出します。 MRI 装置は、このエネルギー放出とその他の多くの変数を分析し、そのデータを使用して画像を生成できます。
MRI は、灰白質と他の組織 (腫瘍などの悪性組織を含む) を区別できるため、脳の健康を監視するための最良の選択肢の 1 つです。脳の活動を監視するためにも使用できます。 MRI は、いつでも脳のどの部分が活動しているかを判断できます。 2016 年、研究者は MRI を使用してヴァイオリン奏者の脳の活動をモニタリングし、ヴァイオリンを演奏することを想像しているときに脳のどの部分が活性化するかを調べました。患者の脳や体内の陽子の磁気共鳴を操作することで、医療専門家は、侵襲的な探索的手術を必要とせずに、体の仕組みをよりよく理解できます。
NMR は、化学、医学、およびさまざまな形態の分光法に応用されています。また、磁力計や量子コンピューターの作成において、この技術の用途が増えています。
量子コンピューティング
研究者たちは、1990 年代後半から、核磁気共鳴を量子コンピューティングの媒体として使用するというアイデアを模索してきました。当時、研究者がこれらの理論を最大限に活用できるようにする技術は存在しませんでした。
中国物理学会が 2018 年に発表した研究では、液体と固体の NMR システムを組み合わせることで、量子コンピューター システムを作成して制御できることがわかりました。この量子コンピューターは、各分子のスピン状態を量子ビットとして使用することにより、12 量子ビットで動作しました。比較のために、Google の Sycamore 量子コンピューター システムは 2019 年に 53 量子ビットで動作し、研究者がネットワークに 54 番目の量子ビットを追加しようとしたときに失敗しました。
量子コンピューティング自体は、すでに大きな可能性を秘めています。 Sycamore が実行したテストは、量子コンピューターが完了するまでに 200 秒かかりましたが、3 分もかかりませんでした。研究者は、オークリッジ国立研究所のスーパーコンピューターであるサミットに、問題のより単純なバージョンを与えました。チームは、デバイスがタスクを完了するのに 10,000 年かかることを発見しました。
新しい発見
共鳴の物理学について少し時間をかけて考えると、何かと共鳴することはまったく新しい意味を持ちます。世界中のあらゆるもの、宇宙にあるものでさえ、特定のユニークな周波数で共鳴しています。これらの周波数がどのように連携するかを理解することで、最大の星から最小のクォーク、そしてその間のすべてのものまで、宇宙に対する私たちの理解が広がる可能性があります。
