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機械学習が地動説を導き出した

これまで人類は木からリンゴが落ちるのを見て万有引力を発見したり(俗説)、星の位置が日々揺れ動くのを見て星までの距離を測定したり、振り子が揺れる時間を計って物理法則を発見してきました。つまり、自然界のいろいろな出来事をじっくり観察し、数式で表現する努力を続けてきたのです。

スイスのチューリッヒ工科大学の研究者らは、高度なAIにリンゴの落下や振り子の動きのデータを与えれば人間がこれまでしてきたように物理法則を見つけ出すだろうか、と考えました。そこで、研究者らは「サイネット(SciNet)」と呼ぶニューラル・ネットワークに振り子のデータを入力して、ある時間の振り子の位置を正確に予測する方法を機械学習させました。振り子の動きを学んだコンピューターはある種の計算式で位置を予測できる。つまり、物理法則を導き出すはずです。

その結果、コンピューターは2%未満の誤差で振り子の未来の周波数を予測できました。そこで、コンピューターがどのようにして答えを出したのかを調べたところ、残念なことにガリレオが発見した振り子の等時性は発見していませんでしたが、コンピューターは独自に数式を作成し答えを導き出していました。  

さらに難しい法則を導き出すことができるかどうかを調べるために、地球から見た火星と太陽の位置データを学習させたところ、未来のある時間の太陽と火星の位置を正確に予測できるようになりました。太陽と火星の正確な位置予測には、コペルニクスが唱えた地動説を発見する必要がありますが、実際にコンピューターは地動説に基づく考え方で計算をしていることが解析の結果わかりました。

米国における同様の研究ではコーネル大学がエネルギー保存則や運動量保存則をコンピューターが発見したことを報告しています。このような方法を利用すれば、人類が今後数百年先になるまで発見しないような、全く新しい物理法則が発見される可能性があります。


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2018-10-18 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

さとうささらの二分間サイエンス 第14回 新生スーパーカミオカンデ・ガドリニウム計画

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さとうささらの二分間サイエンス



宇宙からやってくるエネルギー粒子を検出する装置、スーパーカミオカンデは今、お休み中です。お休みして何をしているかといえば、新生スーパーカミオカンデに生まれ変わるための、工事をしています。 工事はすでに、クライマックスで、今年、2018年終り頃には再稼働する予定です。

新生スーパーカミオカンデで観測しようとしているのは、大昔からあちこちの銀河で起きてきた、星の人生の最後の大爆発、つまり超新星爆発の残骸です。 しかも、ただの超新星爆発ではなくて、過去大量におきた超新星爆発の残りかすの蓄積、つまり、超新星爆発を起こした大昔から、現在までも宇宙を飛び交っていると考えられる、超新星背景ニュートリノなのです。 この観測に成功すれば、百五十憶年の宇宙の進化があきらかになる、と科学者の皆さんは考えています。


2018-10-17 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

ヴォイニッチの科学書 第727回 磁化高速点火核融合

風力や太陽光を使った発電の全発電量に占める割合は世界の先進国で高まっていますが、天候に影響される発電方式だけに依存するのは安定した電力供給の観点からは危険です。かといって、火力や原子力にいつまでも頼るわけにはいかない状況において、クリーンで放射性物質事故の起きない発電方式として核融合発電の研究が日本を始め、米国、仏国、中国、ロシア等で加速しています。核融合発電は特殊な水素を燃料にして、太陽と同じメカニズム、核融合でエネルギーを得ます。

核融合の難しい点の一つは核融合を開始するための種火、つまり点火です。太陽では中心部分の超高温超高圧状態で核融合が起きますが、太陽のように物質を数千万度にまで加熱することを地上でどのように再現するか、は難問です。エネルギー源にレーザーを使うレーザー核融合 という方式では点火方法は主に中心点火と高速点火という二種類が研究されています。

ヴォイニッチの科学書 第727回 磁化高速点火核融合

レーザー核融合は高出力レーザーを用いて重水素(質量数が2、すなわち原子核が陽子1つと中性子1つから構成される水素の放射性同位体)と三重水素(質量数が3、すなわち原子核が陽子1つと中性子2つから構成される水素の放射性同位体)の混合物を高密度に圧縮すると共に、超高温に加熱することで、核融合反応を起こし、エネルギーを得る手法です。エネルギーを作り出す仕組みが太陽と同じであることから、地上の太陽とも呼ばれて研究が行われています。

中心点火は重水素と三重水素で作った燃料にレーザー照射して爆縮し、熱核融合を引き起こすのですが、正確に中心で点火して球対称の爆縮を起こす必要があり、その点の技術が克服されていません。

一方、高速点火は新しい方式で、燃料に爆縮用と加熱用のレーザーをパルス状に照射することで熱核融合を引き起こす方式です。まず複数のナノ秒(10億分の1秒)レーザーを用いて核融合燃料を予め高密度に圧縮し、ピコ秒(1兆分の1秒)の高強度レーザーで瞬間的に加熱することで、核融合を点火し、エネルギーを生み出します。短パルス高強度レーザーによって生成されたほぼ光速の電子ビームが高密度核融合燃料プラズマに突入し、そのエネルギーの一部を燃料に付与することによって加熱が起こります。

しかし、高強度レーザーによって加速された電子ビームは、大きな発散角(典型的には全角で100度)を持っているため、電子ビームの多くは燃料と衝突せずただ通り過ぎてしまうという欠陥がありました。
ヴォイニッチの科学書 第727回 磁化高速点火核融合


そこで、電子ビームを絞る方法を考えなければならないのですが、質量が軽くて電荷を持つ電子は磁力線に補足されやすい特性を持っています。この特性を利用し、相対論的電子ビームの発生点から核融合燃料までの間に磁力線をまっすぐ張り、その磁力線に沿って相対論的電子ビームを流すというアイディアが生まれました。

ヴォイニッチの科学書 第727回 磁化高速点火核融合

大阪大学レーザー科学研究所、米国、フランスなどの国際共同研究チームは、ネオジム磁石 の約600倍の強さを有する600テスラ の磁場を作り出すことに成功し、その磁場の中で電子ビームを集束し、プラズマを効率的に加熱出来ることを実証しました。研究グループは、この方式を「磁化高速点火」と名付けました。

ヴォイニッチの科学書 第727回 磁化高速点火核融合

本研究では、加熱レーザーから高密度プラズマへのエネルギー付与率は最大で8%を達成しました。この値は中心点火方式よりも数倍高く、磁化高速点火方式は、非常に効率的で、レーザー核融合エネルギー開発にとって魅力的であることが確認されました。

《参考》核融合発電におけるトカマク方式とヘリカル方式

トカマク=磁場の力を使って超高温の核融合プラズマを閉じ込める方式の一つ。現在建設中の国際核融合実験炉ITER(イーター)でも採用されている。量子科学技術研究開発機構のJT-60SA(建設中)が国内最大のトカマク装置である。ドーナツ型のプラズマの外部に設置したコイルが作る磁場とプラズマを流れる電流が作る磁場の足し合わせによって、安定にプラズマを閉じ込める。

ヘリカル=磁場の力を使って超高温の核融合プラズマを閉じ込める方式の一つ。自然科学研究機構の大型ヘリカル装置(LHD)が国内最大の装置である。ねじれたコイルを周回させることで、超高温プラズマの閉じ込めに適した磁場を作る。トカマクとは違い、プラズマの閉じ込めにプラズマ中を流れる電流が必要ない。


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2018-10-17 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

さとうささらの二分間サイエンス 第13回 超巨大ブラックホールの活動

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さとうささらの二分間サイエンス



南極には世界各国の観測基地がありますが、その中の一つ、アメリカのアムンゼンスコット基地の下にはニュートリノ観測施設、アイスキューブがあります。アイスキューブは1立方キロメートルの氷の中に5200個の光センサーが埋め込まれています。宇宙からはいつも大量の粒子が降り注いでいて、私たちの身体を通り抜けていますが、それを氷で受け止めて観測するための施設です。

2017年9月23日朝(現地時間)、1個の荷電粒子が出現し、光を発しながら猛スピードでアイスキューブの中を駆け抜けました。アイスキューブはいつも荷電粒子を検出していますが、この時の荷電粒子のエネルギーは普段観測しているものよりも、けた違いに強力なものでした。

昨年の検出以来、様々な解析が行われ、この時の荷電粒子は、オリオン座の右腕の方向、地球から40億光年も離れた銀河にある、巨大ブラックホールから飛来したニュートリノであることがわかりました。こんな遠くからやってきた荷電粒子が検出されたのは観測史上初めてのことでした。

ブラックホールは、なんでもかんでも吸い込むだけかと思ったら大間違いで、近くの星などを吸い込む時に大量のエネルギーを放出します。エネルギーはブラックホールの南北に方向にジェットとしてものすごい勢いで放出されるのですが、その吹き出し方向が私たちの方を向いていると、地球に大量のエネルギー粒子がぶっかけられます。そのような私たちにぶっかけるブラックホールのことを特にブレーザーと呼びます。

40億年といえば、地球に生命が誕生したころです。そのころに、こんなにものすごいエネルギー粒子を宇宙全体にぶちまけたブラックホールは私たちの想像を絶する巨大さ、激しさのはずです。こんなものが地球の近くに出現しなくて本当に良かったと思います。 超高エネルギーニュートリノの観測は、光や電波で宇宙を観測することと同様に、私たちに宇宙の様々な情報を伝えてくれるものときたいされています。


2018-10-17 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

緊張によるストレスで皮膚から臭い

資生堂は、緊張による心理的ストレスが加わることで、特徴的な臭いが皮膚ガスとして放出される現象を発見し、その成分として2つの化合物を発表しました。 皮膚ガスは体調、加齢、情動、食事などを反映して変化します。皮膚ガスの中には無臭のガスもありますが、2017年に同じく資生堂が皮膚から放出される匂い原因物質として発表したノネナールや食べた物に由来する臭いのガスもあり、本人や周囲がその臭いを感じることがあります。

資生堂における長年の臭気判定士による体臭の研究の中で人が緊張によるストレス状態にあると硫黄化合物のような特有の臭いが発生することを発見しました。この現象を科学的に確認するため、実験協力ボランティアでストレス試験を実施したところ、この特有の臭い発生には再現性があることが確認されました。  

さらに、この臭いの原因物質を特定するためGC/MS-ODP(臭い嗅ぎ付きガスクロマトグラフ質量分析計)を用いて分析した結果、主成分がジメチルトリスルフィドとアリルメルカプタンであることを見いだしました。


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2018-10-16 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

ヴォイニッチの科学書 第726回 DNAにデータを保存《その後》

米国のスタートアップ企業カタログ・テクノロジーズ(Catalog Technologies)と英国企業のケンブリッジ・コンサルタンツ(Cambridge Consultants)による商用DNAストレージデバイス、つまり情報をDNAに書き込んだり読み出したりする装置の試作機が2019年1月ごろに完成する予定で開発が進んでいます。

ヴォイニッチの科学書 第726回 DNAにデータを保存《その後》

この試作機は1日あたり1テラビット(140GB)のデータをDNAに変換します。書き込み速度は遅く感じますが、DNAストレージのメリットは高速読み書きではなく、記憶密度の高さとデータの高い保存安定性です。記録密度については、理論上は地球上にあるすべてのデジタルデータ大型浴槽程度の容積に保管できます。 またDNAは適切な場所に保管すれば、何千年という期間にわたり保存することが可能ですし、DNAの読み出し方法はテクノロジーに依存しない生物に普遍的な仕組みですので、数千年後であっても現在のようにデータはあるけど読み出すハードウエアが無い・・・といったことには絶対なりません。  

今回開発中の装置の大きさは路線バスと同じくらいの大きさですが、将来的には映画や数年分の新聞であれば目に見えないほど小さいDNAペレットに保管できるようにすることを目指しています。データ保管費用はDVD2枚分のデータを保存するのに1億円程度かかります。


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2018-10-15 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

地球のプレート運動の終了

地球の表面は何枚かの巨大な分割されたプレートになっており、それがマントルの熱対流で移動することによって山や川の風景、火山活動や温泉、そして生命も生み出されています。 ですが、地球が誕生から長い年月を経るとマントルの温度が下がり、やがてはプレートを動かすほどの熱対流の力がなくなってしまうものと思われます。

地球のプレート運動の終了
地球表面を覆うプレート

これをもとに中国地質大学の研究者らがプレート運動は約14億5000万年後に終わるとの予測を発表しました。地球の寿命はまだ50億年以上あります。  

巨大な山脈はプレート同士の衝突によって作り出されます。プレートの動きが無くなれば山を形成する仕組みが失われますので、あとは雨や風で侵食されるばかりになり、だんだんと地球は平たんになってやがて、陸地はすべて海面よりも下になり、地球は表面全体を海に覆われた水惑星になります。マントル対流が止まれば地球を保護する磁場がなくなり、地球は太陽から放出される高エネルギー粒子の直撃を受けることになりますので現在の地球型生物の生息は困難になるでしょう。  

ただ、プレート運動が止まる時期を正確に予測することは不可能で、50億年後という研究や、プレートの運動はマントル対流よりもマントル内に沈み込む地殻が引っ張る力の影響の方が大きいことを根拠に3億年後に止まってそのごいつか再び動き出すという説もあります。

地球のプレート運動の終了
マントルの対流(地球断面)


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2018-10-09 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

匂いが視覚をコントロールする

匂いが視覚をコントロールする

九州大学の研究者らは、柑橘系の果物に含まれる匂いがオレンジ色を覚えにくくする効果があることを発見しました。実験では、柑橘系の果物に含まれる「デカナール」という匂い物質を使用しました。実験参加者はこの匂いがあるとき(匂い条件)と無いとき(無臭条件)の2つの条件で、オレンジ、ピンク、グリーン、ブルーに関する色短期記憶課題を行い、記憶を思い出すときの脳波計測を実施しました。

実験の結果、匂い条件下で、無臭時と比べてオレンジ色に対する成績が下がることがわかりました。また、匂い条件下では、オレンジ色に対する脳の反応が鈍く、情報に対して注意が向いていないことを示しました。このことは、柑橘系に含まれる匂いを嗅いだとき、同じく柑橘と関連する「オレンジ色」への注意や記憶成績が抑制されることを示しています。


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2018-10-08 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

ニキビをワクチンで予防する

カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者らは、マウスでの実験でニキビの発生に関与する皮膚の常在菌が放出する毒素を標的とした開発中のワクチンがニキビ抑制に効果があったと発表しました。  

ニキビの原因は、皮膚の常在菌の一つであるアクネ菌であることが知られており、アクネ菌が産生する毒素が炎症を引き起こすと考えられています。今回報告されたニキビワクチンは、この毒素を標的とした抗体です。  

ニキビの有病者数は世界で6億5000万人に上り、現在の治療法はスキンクリームや抗菌薬、レチノイドの全身投与です。これらの治療方法は、しばしば過度な乾燥や刺激などの副作用を伴うため、より安全な治療方法が望まれています。

ニキビをワクチンで予防する
Cutibacterium acnes(アクネ菌)


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2018-10-07 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :

原子ラジオ

ラジオの起源は19世紀の終わりごろ、無線通信の発明者でノーベル賞を受賞者であるイタリアのグリエルモ・マルコーニの無線電信機の発明とされています。ラジオの発明から120年を過ぎた今でもその仕組みはほとんど変わっていません。アンテナには受信しようとする電波の波長に合わせた金属の棒が使われています。金属棒を通過する電波が内部の電子を加速し、電波のエネルギーが電流に変換するので、その電流を増幅しています。

原子ラジオ
100年前のラジオ  

ミシガン州にあるリュードベリ・テクノロジーズはレーザーを使ったラジオのアンテナを発明して注目されています。この仕組みを簡単に言えば、電波が原子と相互作用する様子をレーザーで測定し、レーザー光の変化を音の変化に変換します。 使用する原子はセシウムで、原子の周りに雲のように存在する電子のもっとも外側の外殻電子がエネルギーを蓄え、リュードベリ状態と呼ばれる原子核からの距離が遠くなり、原子が大きく膨らんだ状態で使用します。  

密封されたリュードベリ状態のセシウムガスに特定の波長のレーザー光を照射するとセシウムガスのレーザー光に対する透過率が変化します。ここに電波を照射するとセシウム原子の外郭電子の性質が変化し、透過率を変化させるに必要なレーザー光線の波長が変わります。逆に言えば、セシウムに照射されている電波の変化に伴って、セシウムガスの透明度が変化します。この透明度の変化を、別のレーザーを気体に当てることによって測定します。  

実際に測定してみると、無線信号が周波数変調(FM)または振幅変調(AM)していることがわかり、ラジオとして機能することも確認されています。この方式のラジオ受信機の画期的な点は、アンテナ部分が原子の変化を光で観測する方法であるために電気回路が存在しないことです。現状ではダイナミックレンジの関係から音質がやや劣るようですが、その点も今後改善されそうです。


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2018-10-06 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :
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おびおのプロフィール

おびお

Author:おびお
会社員をしながら科学のコンテンツを作ってます。書籍とか、トークライブとか、セミナーとか、ネットラジオとか、Webコンテンツとか。
ツイッターアカウント:@cradiobio
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