動物の泳ぎ方を研究し始めたとき、私は物理学者のようには感じませんでした。私は物理学の学士号を取得したばかりで、その間、物理学者は量子力学、宇宙論、ゲージ理論などの流行語の 1 つに取り組んでいると教えられていました。大学院が自分に適しているかどうかを確認するために、カリフォルニア大学サンディエゴ校の友好的な研究グループを追跡しましたが、彼らはこれらの流行語を研究しませんでした.彼らは強力な数学を使用して、カタツムリ、ミミズ、微生物の移動などを理解しました。
私はその機会に感謝し、彼らが研究した問題は美しく興味深いものであると思いました。私がグループに参加するにつれて、この区別はアイデンティティの危機に発展しました.理論物理学者はアーティストやアスリートのようなものです。クレーやペイトン マニングから離れていると感じたら、それは大惨事のように思えるかもしれません。アインシュタインとファインマンが私を見下ろし、眉をひそめているのを感じることができると思いました.
微生物が原子を砕くのと同じくらいセクシーであると私に納得させるには、微生物によるいくつかの印象的な偉業が必要です。スペースシャトルの打ち上げよりも約1,000倍速く加速する小さな針、またはDNAの一部を撃つことができる人もいます。他の人は、無関係な隣人と遺伝情報を共有し、私たちよりも何千年も前のインターネットを形成しています。 100 万倍小さいにもかかわらず、多くは私たちよりも長生きします。さらに興味深いのは、微生物は、基本的な運動を支配し、古典物理学の柱であるニュートンの法則に従わないということです。
これらの驚くべき事実は、私が細菌をどのように認識するかだけでなく、物理学者であることの意味を定義する方法も変えました.
微生物は、私たちとは根本的に異なる方法で流動環境を経験しています。私たちが水を経験するのは、私たちが特定のサイズであり、特徴的な速度で泳いでいるからにすぎません。物理学者とエンジニアは、レイノルズ数を使用して水がどのように「感じる」かを説明します。レイノルズ数は、特定の速度で流れる特定の液体の慣性と粘度 (抗力) の相対的な重要性を比較します。この数値が大きいほど、抗力に対する慣性が重要になります。レイノルズ数が大きく、少なくとも数百になると、乱気流 (スピード ボートの周りに見られる白く、途切れ途切れの泡立った水) が発生します。
これにより、人間の水泳は、私のような弱虫スイマーにとっては数千未満であり、オリンピック選手にとってはそれ以上の数であることが特徴であると推測できます.細菌の場合、レイノルズ数は約 0.001 になります。つまり、彼らにとって慣性は、私たち人間よりも 10 億倍も重要ではないということです。
水中の細菌の経験を再現するには、平均的な体格の人間が糖蜜に浸され、毎分約 1 センチメートルの速さで泳ぐ必要があります。突然停止した場合、停止する前に 1 ミリ未満惰性で進みます。つまり、惰行距離は顕微鏡で測定する必要があります。惰性走行に費やされる時間も非常に小さく、ストロボ ライトのフラッシュ間の時間であるマイクロ秒単位のどこかです。同様に、最高速度で移動していた細菌が突然停止した場合、約 1 つの原子のサイズである 10 分の 1 オングストロームで惰性で進みます。低レイノルズ数の世界では、背泳ぎを 1 年かけて怠惰に行うと、まるで 1 秒で背泳ぎを完了するかのようになります。
慣性が重要でなくなると、質量、加速度、力などの用語は意味を失います。ニュートンの第 2 法則 (力は質量に加速度を掛けたものに等しい) のようなステートメントは議論の余地があります。細菌のニュートンの第 2 法則は、0 は 0 に等しいです。バクテリアは泳ぎ始めるとほぼ瞬時に安定した遊泳速度に達し、泳ぐのを止めると即座に速度を失うため、加速などというものはありません。動いている物体は作用するまで動き続けるというニュートンの第一法則はばかげています。バクテリアが知っているのは、泳いでいない場合はじっと立っているということだけです。自由に動く微生物はいません。ニュートンの第 3 法則、つまりすべてのアクションには等しく反対の反応があるという法則は、トートロジーのようなものになります。これは、もはやアクションが存在しないためです。
バクテリアの世界では、慣性の存在を否定したアリストテレスが物理学をよりよく説明しています。
発見者であるファン レーウェンフックが「貪欲な小動物」と呼んだバクテリアが、古典物理学の基礎の 1 つを壊す能力に私は驚きました。これを見て、私がシャドーイングしていたグループの責任者が、ノーベル賞受賞者の物理学者によって 1990 年代に書かれた一連の記事に私を案内してくれました。これらの記事は、泳ぐ微生物を支配する物理学が、特定の亜原子粒子の量子力学を支配する物理学と同一であることを証明しました。彼らは、特定の藻類の速度と軌跡などの単純で具体的なものを、私が学部生として教え込まれた専門用語の 1 つであるゲージ理論で説明することさえしました。バクテリアがゲージ理論によって支配されているという事実こそが、バクテリアが力を使わずに動き、ニュートンの法則を回避することを可能にするものです.
それは、物理学と数学だけでなく、社会学とアイデンティティにおいても、私にとってもう 1 つの大きな教訓でした。私は、物理学者が特定の物体を研究することを強制されていないと判断しました ではなく、特定のツールと思考モードを、関心のあるあらゆる分野のあらゆる種類のオブジェクトに適用します。ゲージ理論は量子力学だけのものではなく、微生物や私たち自身のサイズに近い他の物体にも適用できます.
UCSD のグループから多大な支援を受けて、私は博士号を取得しました。ブラウン大学のプログラム。私の新しい同僚は、水泳、窓のカーテンのしわ、木や骨の形成などの巨視的なトピックを研究するために、理論物理学の美しいツールを流用しました。珍しい場所での理論物理学の構造を認識することを学ぶことで、微生物と同様に、人間もニュートンの法則を超越できるという発見に備えることができました。
ブラウンでの最初の年に、大学院のストレスを発散するために太極拳を学び始めました。私は自分が取り組んでいる問題に夢中になり、落書きでいっぱいの巨大な黒板を見つめながら、マニアックに髪を引っ張る漫画の科学者のようになりました.太極拳は、ある種の神秘主義と運動能力のない人へのアピールだけでなく、手放す能力を宣伝しました.
最初のトレーニングでは、リラックスして自分の仕事を忘れることを実際に学びました。しかし、tuishou として知られる一般的な 2 人で行う太極拳のエクササイズを紹介されたとき、まったく別の恩恵を受けました。 、「Push Hands」（または「Pushing Hands」）と訳されています。リラクゼーションの目的で共同で行うことも、競争的に行うこともできます。競争力のあるプッシュ ハンドの目的は単純です。競技者は互いに向かい合い、ストライクやグラブを使用せず、腰の下や鎖骨の上を押すことなく、お互いのバランスを崩そうとします。 2 人の競技者の再配置はスムーズかつ継続的であると予想され、他のグラップリング分野のような筋肉対筋肉の序曲はありません。
プッシュ ハンド トレーニングの鍵は、筋肉がついたときにつかまらないようにする方法を学ぶことです。むしろ相手を「空虚に」導く方法を学ぶことです。最初の段階では、体のどの部分が固く、どれが緩んでいるかを自分自身で識別することさえ困難です。これを行うには、何年にもわたって太極拳のルーチンを研究し、実践する必要があります。これは、トレーニングの絶対に不可欠な要素です。どのような張力でも重心への直線が得られるからです。これは、傾いた構造物 (胴体) に鋼鉄の棒 (堅い四肢または関節) が不安定に取り付けられているようなものです。ロッドは伸びたり曲がったりしないので、ロッドを押したり引いたりすることで、誰でも構造を引き下げることができます。
次に、プッシュ ハンドの競技者になる見込みのある人は、触ったり、目で見たりして、他の人のこれらのきつさを認識することを学ばなければなりません。これは通常、ティントのスキルを訓練する、事前に準備された協力的なプッシュ ハンド ドリルによって促進されます。 、つまり聞く —相互の接触点を通じて、相手の意図と身体の配置を触覚的に解釈することを学ぶ.このスキルの価値は非常に大きいため、参加者は連絡を絶つことを思いとどまります。
Push Hands では、体を動かして変形させ、入ってくる力を消散させます。力がないということは、慣性がないということです。慣性がない場合、質量に関する用語の定義が曖昧になります。 「重心」などの概念が不明確になります。対戦相手の中心への機械的なつながりを感じられない場合、相手の中心がどこにあるのかはっきりとは言えません。頭の中、左の小指、またはその他の場所にある可能性があります。
これらすべてに、既視感に圧倒されました。見慣れた何かがマスクの後ろから覗いているのはすぐに認識されましたが、処理に時間がかかりました。ペンと紙で研究について考えていたのは初めてだったからです。指、足。最後に、細菌は太極拳のマスターであることに気付きました。
熟練した太極拳の実践者のように、バクテリアも実質的に重心を欠いています。あなたがバクテリアであり、別のバクテリアに衝突した場合、質量の中心が頭にあると考えても鞭毛にあると考えても、動きは同じです. 2つのバクテリアが接触すると、くっついて付着し、互いに力を加えることなく移動します.時には、これらの力を無力化するために、彼らは非常に長い間、ほぼ無期限に一緒にいる必要があります.どういうわけか、バクテリアはお互いに力を加えないように「動く方法を知っている」のです。彼らは無力化の達人です。
彼らはまた、プッシュ ハンドの実践者のように、一見不可能なことを行っています。つまり、あらゆる力を中和しながら、ある種の動きを実現しています。彼らは加速したり減速したり、一瞬で方向を変えたりします。ニュートンは、力がなければこれが起こることを禁じています.
この力と動きの議論は、バクテリア スイミングとプッシュ ハンドの 1 つの違いを教えてくれました。プッシュ ハンドでは、有利なポジションを獲得した後、最終的に大きな力を発揮します。同様の戦略は太極拳以外でも見られます。たとえば、ムハンマド アリの「ロープ ア ドープ」テクニックのように、リング ロープの弾力性を使用してパンチに付着し、パンチを乗り切り、入ってくるエネルギーを消散させます。パンチ。一言で言えば、施術者のバクテリアのような動きは、利点を最大化するときに正確に放棄されるべきでした.
微生物は太極拳の修行者から何かを学べるのだろうか?彼らもまた、時宜を得た戦略的な方法で力を行使することを突然許可された場合、彼らはどのように行動するでしょうか?これを理解するために、私は彼らにいくつかの新しい物理学を紹介しなければなりませんでした。最初は私をとても興奮させた水泳のゲージ理論は、私の小さな獣にお互いに力を使うように教える際の主な障害になりました.
武道からのこの予期せぬ動機は、私の博士研究の主要な推進力となりました。私は、物理学がわずかに異なるバクテリアの新しい環境の研究に着手しました。特殊な形状の単純な流体や、単純な形状の特殊な流体のようなこれらの環境では、細菌は、医薬品の小さなバッチを組み立てて牽引したり、小さなエンジンに電力を供給したりするなど、人間にとって有用な仕事をすることができます.これは、事前にプログラムされた方法で従来の物理学を分割することで可能になります。これは、プッシュ ハンドの実践者がアドバンテージを獲得したときに中和のルールを破るようなものです。
このようなアイデアは現在、さまざまな方向に浸透しており、最終的には有用な微細デバイスの製造につながるでしょう。細菌が付着して付着した後に物体から分離できるようにする力をトリガーする能力により、細菌は貨物を牽引できます。たとえば、健康な組織に衝撃を与えることなく、腫瘍に直接化学療法分子のペイロードを届けることができます。 (バクテリアは私たちの助けなしに自分自身を分離することができますが、メカニズムは少しあいまいであり、多くの異なる化学物質を分泌することを伴います.) または、小さなスイマー (天然または人工) は、薬の粒子または他の小さな分子を複雑なパターンで操作および組み立てることができます。 、離れていても、力を加えたときに作成される流れによります。このようにして、細菌はいくつかの基本的な成分から抗がん剤を組み立てるだけでなく、それらを腫瘍に運び、放出し、治療が完了するまでこのプロセスを繰り返すことができます.
太極拳を学ぶことは、私の研究を導くだけではありませんでした。それは私の研究方法を変えました。西洋哲学は、宇宙を観察者と観察されるものに分離する傾向があり、両者の間にはほとんど相互作用がありません。バクテリアと太極拳が相互に情報を共有しているのを見ると、つながりに焦点を当てることで、物理学をより平等に行う方法についての視点が得られました。 .
バクテリアと中国武術との関係を見つけるには、かなりのナイーブがあります.しかし、この種の素朴さは、理論物理学がどのように行われるかの中心であり、それに少しの間屈服することで、私はより深い何かに導かれました. 何かの下書きや下書きを書き始めました 、体のテクニックを使った物理教育のクレイジーなアイデア。私は友人や同僚に「物理学の出身」について怒鳴り始めました。 体。私にとって、太極拳、バクテリア、およびゲージ理論の数学的アイデアの間のつながりは、私の興味や、私の研究を大きな問題に導く示唆的な小さなアイデアの間のランダムなつながりよりも深いように思えます.
ベクトルとしての身体を理解するようになりました 本を読む目や講義を聞く耳とは別の情報源です。その意味で、これは私たちが持っている最もアクセスしやすいベクトルです。誰もが体を持っていますが、誰もが本や講義にアクセスできるわけではありません.私は、現在数学者の出自と考えられているあいまいなアイデアを、少なくとも類推を通じて、普遍的にアクセスできるようにすることができると本当に信じています.亜原子粒子が特定の振る舞いをする理由を、あなたとあなたの体が特定の振る舞いをする理由と結び付けることができれば、たとえ細部が一掃されたとしても、あなたが住んでいる世界をもう少しよく理解するのに役立つでしょう。じゅうたん。または、さらに良いことに、したいことになるかもしれません この世界をよりよく理解するために。
このつながりを認識することで、「物理学者」という言葉では必ずしも説明されない特定の場所や役割を自分が持っているようにも感じました。その言葉は、社会学や世論に根ざした曖昧で希薄な定義を持っており、私は自分自身を疑うようになりました.科学者が現在関心を持っている種類のものは、そのような用語を長い間覆い隠しており、今日の分野は考え方と用語を変える価値があります.この新しい考え方には新しい名前を付ける必要があります。「考える人」はまったく大げさすぎるので、「コネクタ」を選びます。
コネクターとは、物事のつながりに気づく人のことです。接続はおそらく物理学にとって最も貴重なスキルであり、多くの英雄が持っているスキルです。民俗文学には、ファインマンがコーネルの食堂で皿を回転させて量子電気力学の原理を発見したことや、アインシュタインが彼のブラウン運動の側面を発見したことについての格言がたくさんあります。スープで遊んで運動理論。科学的発見は個人的な物語に包まれています。何百時間も黒板を見つめているのと同じくらい退屈なこともありますが、多くの場合、シャワーを浴びたり、ボーリングをしたり、鳥が飛ぶときに形成するパターンを見たりしながら、小さなブレークスルーが発生します。 .
これらの小さなつながりが出版されることはめったになく、ノーベル賞受賞スピーチで議論されることもめったにありません。しかしある意味では、物語の最も重要な部分は、それらが最も人間的でアクセスしやすいという理由だけでなく、科学的発展の性質を反映しているという理由でもあります.もしそれが本当なら、私たちの日々の活動は、最初の星がどのように生まれたかを推測するために原子を砕いて考えるほど変わらない.陰と陽のように、私たちが気づくかどうかにかかわらず、それらは通常、密接に関係しています。
マディソン・クリーガーは最近博士号を取得しました。ブラウン大学で工学の博士号を取得し、現在はハーバード大学の進化ダイナミクス プログラムのポスドク研究員です。
参考文献
1. パーセル、E.M. 低レイノルズ数での生活。 アメリカ物理学ジャーナル 45 、3-11 (1977)。
2. Shapere, A. &Wilczek, F. 低レイノルズ数での自己推進のジオメトリ。 流体力学ジャーナル 198 、557-585 (1989)。
3. Shapere, A. &Wilczek, F. 低レイノルズ数での自己推進の効率。 流体力学ジャーナル 198 、587-599 (1989)。
