応用: 分野をまたぐ物理

物質は、固体・液体・気体のほかに、もう 1 つの状態をとります。原子から電子がはがれ、電気を帯びた粒が飛び回る状態で、プラズマと呼びます。雷や蛍光灯の中、そして太陽も、プラズマです。

オーロラは、宇宙から降ってくるプラズマが作る光です。国立極地研究所によると、太陽から放たれた電気を帯びた粒子が、地球の磁場に沿って北極や南極に降りてきます。その粒子が大気の窒素や酸素とぶつかると、緑や赤、紫の光が出ます。

2024 年 5 月 11 日には、大きな磁気嵐で、日本の各地でもオーロラが見られました。国立極地研究所などの研究グループは、市民が撮影した 179 点の写真を分析しました。オーロラの上端が高さ 1,000 km 以上まで光っていた可能性が高く、そのため兵庫県など緯度の低い地域からも見えたと分かりました。

太陽が輝くのは、中心で水素がヘリウムに変わる核融合が起き、大きなエネルギーが生まれているからです。同じ反応を地上で起こして、発電に使おうとするのが核融合の研究です。

原子核どうしを融合させるには、燃料を 1 億℃にも達するプラズマにして、閉じ込めておく必要があります。そんなに熱い物を入れられる容器はないので、強い磁場でプラズマを宙に浮かせて閉じ込めます。

茨城県那珂市の JT-60SA は、日本とヨーロッパが共同で建設した、超伝導コイルでプラズマを閉じ込める実験装置です。2023 年 10 月 23 日に初めてプラズマを作りました。プラズマの体積 160 立方メートルを達成し、「最大のトカマク型装置」としてギネス世界記録に認定されています。フランスで建設中の国際熱核融合実験炉 ITER(イーター)には、日本を含む 7 つの国と地域が参加しています。

地球惑星物理学は、地震や火山、大気や海の流れ、地球の内部や惑星の成り立ちを、物理の法則で調べる分野です。地震の波の伝わり方から、人が行けない地球の深い所の様子も分かります。

緊急地震速報は、地震の波の速さの違いを使います。気象庁によると、地震の揺れには、秒速約 7 km で伝わる P 波と、秒速約 4 km と遅いが揺れの強い S 波があります。震源の近くで P 波をとらえて計算し、S 波が届く前に知らせるのです。ただし計算と伝達には数秒かかるため、震源に近い所では間に合わないこともあります。

地震の揺れ方や大気の動きのように複雑な現象は、物理の方程式をコンピュータで解いて再現します。これが計算物理学で、地震の揺れの予測から新しい物質の設計、宇宙の進化の研究まで、物理のあらゆる分野で使われています。