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波 「理科基礎(仮称)」の題材として

「理科基礎(仮称)」が科学教育の中に望ましいと日本学術会議のある部会の提言として公表された。高等学校の理科の科目の中には、地学、生物、物理および化学の4科目がある。その中身は相当内容がかけ離れたものから構成されているようだ。さて、それらの4科目を統合して、一つの科目「理科基礎」を確定しようとしたとき、誰がどのように取りまとめる事が出来るだろうか。提言が出た以上は、日本学術会議の提言であるから、日本の科学者・教育者の力量が問われることになろう。高等学校の教科書が出来ないなどとは言えない。何年も先では済まない筈だ。教育行政を担う、文部科学省の緊急の対応が問われる筈だ。理科の各科目の中から、基礎として何を選ぶかという考え方では、先ず纏まる可能性は低かろう。文科省の『学習指導要領』がある限りは、その内容からはみ出すことは出来ない硬直化した教育体制であるから。もし一科目としてまとまったとしたとき、その中身は全くつまらない役にも立たない内容の羅列に成らざるを得なかろうから。先ず解決する可能性は、『学習指導要領』の枠を取り外すことに尽きる。しかし、提言の3 高校理科教育に求められるもの の中で、(C)現在までの学習指導要領の変遷の経験を重視 という項目が前提条件として楔を打っている。この(C)がある限りは日本学術会議の折角の提言も絵に描いた御飾り餅にしかならない。以上の思いを踏まえた上での無駄な記事とは思うが、一つ「波」を取上げて論じて見よう。全く過去の理科の基礎とは異なる面から考えてみたい。

葛飾北斎「富嶽三十六景」の一つ「神奈川沖浪裏」に波の象徴的な姿が描かれている。絵画として誇張されて描かれてはいるものの、海岸における波しぶきは如何にも心に響く迫力を持っている。決して正弦波ではないその波形は、ある瞬間を切り取って、写した空間の具象図である。そこには心の美的感性を揺り動かすが、頭を悩ます難しさは微塵もない。さて、波の科学論はと考えると途端に難しくなる。その原因は何であろうかと考えて見た。それは目で観たり、感覚で捉える自然現象を日常生活に馴染み難い抽象的表現で共通理解を計ろうとする手法が科学理論の本質を成しているからであると思う。例えば太鼓の響きは耳だけでなく、腹にも響き気持ちを高揚させもする。その事も太鼓の持つ特性であり、自然現象と人の心身の関係性が造る世界の姿である。その事を科学理論で表現し、説明しなさいと言われても、「チョット待ってください」と言わざるを得ない。こんな事を考えるようじゃ、学校で教える理科教育などの話が出来る訳がないとも思う。

「波」をどう教えるか 子供達が興味を持って授業を受けるかどうかが大事な視点である。それは受ける側の子供の立場に立って考える事が出来るかどうかの行政側の問題である。教える内容やその取り扱いが適切かどうかは行政側の問題だ。子ども・保護者側の意見をくみ取る方策があるだろうか。教える側の論理だけで、教科書内容が過去の手法を伝承するだけの形式に陥っていないだろうか。葛飾北斎の「神奈川沖浪裏」の絵図の物理的解釈が題材になったら良かろうと思う。そこには水の持つ「エネルギー」を意識しなければ解決できない基本概念が含まれている。サーフィンの力学エネルギーなら子供達も面白かろうと思う。海底の地形が海水面の波形に影響することが理解できるにはエネルギーの意味を理解しなければ無理であるから。

サーフィンサーフィンと波  この波は波頭が競り上がった波形だ。水が何故先頭で重力に逆らって、上昇するのだろうか。それを考え、理解するのが自然現象を対象とした教科「理科」が学校教育で取り上げられる存在理由である。考える事を、覚えるだけではいけないと解りかけている筈だが、生徒に求めるだけで、教育環境を整備する側の機関・文部科学省が考える事を怠り、過去に拘る現状は誠に見苦しい。何故、水が波頭部で上昇するのか位は子供達が理解できるような教育でなければ価値がない。水の波が横波の解釈では、『学習指導要領』の廃止を考える事からしかまともな理科教育への解決方法は無かろう。

波はすべて縦波 『学習指導要領』は水面波を横波の代表例として指導することに決めている。それは残念ながら間違っている。そこにはエネルギーの意味が全く考慮されていない。波を生み、伝播する原因はエネルギーである。波の本質を理解しない波動論は間違いである。波はすべて「エネルギー」の縦波である。それが波を教える眼目でなければならない。

音声 「オーイ」と呼び声が聞こえる。その声を波形に描いてください!と言われてもそれは無理であろう。日常生活での空間伝播の波の自然現象ではあるが正弦波などで描く訳にはいかない。音声については「学習指導要領」も縦波として教えてはいる。音声の本質は何であろうか。話し声は空気や水の『何か』を伝える媒体(気体、液体)が必要です。真空中を音声は絶対に伝わらない。ラジオやTVなどを通した音声は伝達経路が真空であっても伝わってくる。それは電波と言う波だからだ。同じ波でありながら、電波と音声には本質的に異なる何か、理解できない事が隠されているのだろうか。電波も音声波もどちらもエネルギーの縦波である。理科の教科書では電波を縦波とは教えていない。横波として説明している。それは世界の物理学で、おそらく横波として取り扱っているからでもあろう。それは間違っている。その訳は、エネルギーの縦波と理解しないからであり、エネルギーの存在を認識しないからでありましょう。電波の場合は『電界エネルギー』と『磁界エネルギー』がエネルギーとして同じものとの認識が出来ないからであろう。別の異なる空間のエネルギーなど存在できない筈なのに、別々のエネルギーとして分析しているからである。その原因は空間に、質量の関わりのないエネルギーが存在すると認識しないからであろう。その意味が象徴的に表れるのが『光』である。『光』の半波長でもエネルギーを持っている。振動数、周波数を持ちださなくても光のエネルギーである。

縦波 水の波も音の波も弦の波も電磁波も、みんな波と言う波はすべてエネルギーの縦波である。エネルギーの空間(媒体も含む)の縦の伝播現象である。水面波も水にエネルギーを与えなければ決して波を発生しない。波と言う波はすべてエネルギーが造り出しているのである。過去の波に関する記事を拾い上げておこう。三味線と縦波 糸電話ー力学的解剖ー 津波(tsunami)を解剖する 専門用語『振動数』の解剖 など。

『エネルギーに論及してこそ物理』光の屈折もエネルギーの縦波としての解釈が必要。

専門用語『振動数』の解剖

物理学の基本概念『電荷』を否定すれば、現代物理学理論の根本から問い直さなければならない。『電荷』否定への道。物理現象の記述概念に「波動」が有る。波動には『振動数』あるいは「周波数」と言う専門用語が必ず含まれている。特に光の周波数あるいは『振動数』が物理学理論の専門的常識用語と成っている。その『振動数』を物理学的観点から、問い直してその曖昧な論理を曝け出そうと思う。身近な所に確かに振動する現象を見る事が出来る。イヨマンテの夜

太鼓と撥捌き 夏祭りになれば、太鼓が響き、その音に心が鼓舞される。太鼓は人の腹にその空気圧の振動を伝える。腹に響いて、身体を夏祭りに誘い出す。太鼓と言うと、敗戦の苦しみの中でみんなが一生懸命に生きていた中で、その切なさを癒してくれたものにその歌があった。筆者が中学生のころか、歌手伊藤久男が唄う『イヨマンテの夜』があった。太鼓に結びついて思い出されたので、絵に描いてみた。太鼓はその振動が生命である。膜の振動を物理的に解剖したらどのように解釈できるかである。筆者は、その様な自然現象を解釈するとき、勝手に自分の感覚的共感によって認識するのが普通である。具体的な力学的解析も教科書には無かろう。だから勝手に現象の解釈を展開する。太鼓の膜がどのように振動するかは誰でも見れば大体分ろう。如何にも膜に垂直に波打ち振動している様子が捉えられる。しかしそれだけでは、膜の振動する力学的意味を捉えているとは言えなかろう。だからと言って、太鼓の膜の振動現象を数式で厳密に表現しようとすると中々難しそうだ。しかしその基本的な力学現象を言葉で説明する事は何とか出来よう。太鼓の振動現象は膜が垂直に振動する事に本質的な物理現象が有る訳ではない。その奥に大事な力学が有る。枠が何故あるか。太鼓の振動と音

太鼓の皮の面が振動するが、その意味を図にしてみた。①太鼓の音色と響きはその撥捌きにある。膜は反対面との間の空気圧の振動も影響を受けて、その太鼓の音を決める一因にもなって居よう。撥の捌き方と膜の張り具合が音色・迫力を決めるだろう。膜の振動は膜に掛る張力の円周への縦波によると考える。②その張力波の往復振動が膜の垂直振動を作り、外表面の空気の圧縮と伸長を引き起こす。結局空気の膜面に垂直な粗密波を創り出し、その粗密波が縦波と成って、太鼓の響きになる。③音の波の中を解剖すれば、それは空気媒体を伸縮させるエネルギーの密度波となっている。空気密度が高いのがエネルギー密度が高密度の部分で、空気密度が低いのはエネルギー密度も低いのである。

音のエネルギー 太鼓の膜によって叩き出される空気の波はやはり正弦波と言うより、衝撃波に近かろう。その空気の粗密波が、音のエネルギーとして音速で進行する縦波なのである。空気は太鼓が叩き出す膜の振動エネルギーを空気の圧縮高密度として、そのエネルギーを乗せる伝播媒体でしかない。空気は進行しない。進行するのはエネルギーであり、音圧として進行する音になる。丁度、空気の圧力p[N/㎡]と単位質量あたりの空気体積(空気密度の逆数)v[㎥/kg]の積が空気のボイルの法則になると考えて良かろう。即ち、E=pv[J/kg]となる。少し詳しく表現すれば、音圧も体積も微分表現でなければならないのだが、おおよその解釈の考え方として示した。

かがり火と光 イヨマンテの夜の歌詞にかがり火がある。かがり火の光を光エネルギーの伝播と言う意味で絵に書き加えた。発光ダイオードの光であろうとかがり火の光であろうと光に違いは無い。光の発光源の熱源であろうと電気発光源であろうと、そのエネルギー放射の原因に違いがあるが放射された光には周期性が揃うか揃わないかの違いは有っても光に違いは無い。

振動の有る無し 物理学的には、自然現象を波として捉える場合が多く、そこでは『振動数』と言う単位時間当たりの繰返し数で捉えるものがほとんどである。特に目で確認できない現象の代表として、光が挙げられよう。光は振動などしていない。しかし物理学理論では光の『振動数』あるいは「周波数」をその光の保有する基本特性と見做して論じる。物理学理論で光の『振動数』と言っているのに、筆者が光は振動などしていないと強情に主張するには、そこにそれ相当の重要な意味が隠されていることを理解しているからなのである。『振動数』と言う専門用語の意味を少し分析しておきたい。太鼓の膜のように明らかに『振動数』の意味を持つ自然現象が有る。だから、『振動数』が有る場合と無い場合とを区別する定義は何かと考えた。それは振動する現象が、振動を支える固定体を持つか持たないかで解釈の区別をしたい。太鼓は膜が張られた固定した枠が有る。光は光速度で進行するから、振動する固定端が無い。太鼓の音はどうかと言えば、音は科学的常識からいえば、『振動数』を持っていると考えられようが、振動などしていないのだ。音の中味をどのように解釈するかに掛っているので、ただ何となく波と言う捉え方で、深く波の中味を理解していない処に大きな問題が隠されているのだ。波の本質は『エネルギー』の縦波である。日常生活で認識できる物に関わる現象で、空気に関わる音を例に挙げてみれば、そこに『エネルギー』を認識できるかの問題である。津波現象に『エネルギー』を認識できないと同じような事が有れば、そこには物理的解釈が生きていないとしか言えない。教科書が問題の核心を捉えていないのである。

波の伝播依存空間媒体 音は空気(音速毎秒340m)、水(音水速?毎秒200m?ITで検索すると、驚く事に毎秒1500mとあるが確認できない)によってその伝播速度が決まっていると観る。津波は伝播媒体が水であるから、そのエネルギー伝播速度(圧力波)はほぼ毎秒200m(太平洋対岸のチリ津波の伝播到達速度からの推定であり、深さには関係しないと観る―気象庁の解釈と異なるー)と解釈する。光は伝播媒体を必要としないと観て良かろう。ただ厳密に考えれば、空気が有るか無いかで、光の速度は当然変化すると考えなければならない。アインシュタインが問題にした、水星の近日性の光の伝播現象も重力で変化する訳などでは決してなく、光も空間伝播時にはエネルギーの回折現象でエネルギー分布が変化する、その結果でしかない。光と音の伝播速度が違う。光は何もない空間でその速度の本領を発揮する。音は空気の存在が無ければ伝播できない。真空中では音は伝わらない。昔は光もエーテルを伝播するとの解釈があった。伝わるものはすべて『物』が必要と考えていた頃の話である。一つだけ、認識しておいて欲しい原則が有る。伝播するものの本質はすべて、『エネルギー』である。光もエネルギーの一つの形態であり、音波も銃弾の飛ぶ現象も、全てエネルギーである。運動エネルギーと言うが、質量にエネルギーが乗って質量のエネルギーに加算された運動エネルギーとして見るべきである。その様に、『エネルギー』と言う本質的な物理量が認識されていない処に現代物理学理論の重大な欠陥があり、そこに矛盾が内在しているのである。光が振動などしていないにも拘らず、光を『振動数』や「周波数」でその本質を捉えると考えている。運動エネルギーは質量と一緒に飛んでゆく。しかし光と音はエネルギーだけが飛んでゆく。音も質量は運ばない。丁度、水を伝わるエネルギーと音のエネルギーは同じようなエネルギー伝播現象と見做せよう。海を伝播する津波は海底の地形でエネルギー伝播面積が変わり、伝播媒体である海水の深さによる水圧が変化する訳だから、そこでの津波エネルギー伝播がどのように分布を変化させるかまでは分からない。空気も上空と地表ではその空気密度が変化しているから、気圧が異なり、音の伝播にもその影響が有るだろう。光だけは伝播空間媒体を必要としない。真空がその本領を発揮する。しかし、空気、水あるいは透明なガラスなどではその伝播速度に影響を受ける。光伝播速度・光速度に対して不思議にも真空空間の空間定数が物理・技術定数として定義されていて、その数値から光速度が決まると言う意味にも何か深い意味が隠されていると観るべきかもしれない。真空透磁率と真空誘電率である。しかしこの定数については宇宙論でも、素粒子論でもほとんど無関心であるところに理解できない不可解さを技術的観点から強く感じる。そこには宇宙・素粒子の論理では、光を『振動数』で基本的特性を捉えているから、空間定数が速度と結びつきにくい論理性なのかとも思う。太鼓の表面を伝播する張力波を数式で表現しようとすれば、何よりもまず膜に掛る張力のエネルギー密度を仮定しなければならない。張力波の伝播速度も太鼓の皮の特質とその張り具合が決め手となる係数を仮定しなければ数式には表現できない。伝播するエネルギー量はエネルギー保存則の上で広がると考えるべきだ。それは正弦波では捉えようがない物理量である。太鼓の撥で打つ撥捌きの時間微分に関わる衝撃波となろう。こんな日常の現象も正確に理解しようとすると、とても難しいと思う。なお波が太鼓の枠に達した後は反射波として膜の中心部に向かって来ることになる。その反射現象も、送電系統で問題になる雷撃波の反射現象が同じ自然界の姿として繋がって見えるのである。物理現象を解釈するにはどうしても技術的感覚から捉えようとする習慣が身体的感性になっている。技術を理解しない理論は甚だ危険な結論に行くような畏れがする。科学技術の巨大化が、人間の技術的感覚を磨いておかないと『想定外』と言う逃げ道になる、当然起こると予想できる事件さえ、予測が出来ない社会状況を生みだすようで恐ろしくもある。その代表例が『原子力発電所』の巨大科学技術の混合機構の複雑化であり、思いもよらない落とし穴が待ち受けているという現実が見落とされる危険だある。『振動数』一つから見る物理学理論の虚構が見える筈だ。この『想定外』と言う意味を柳田邦男氏が 「想定外」の罠 大震災と原発 (文芸春秋)に良く表わされている。

エネルギーの伝播速度

 

参考資料 三味線と縦波 中々数式で太鼓の膜の振動を表現するのは簡単でないが、円周波の往復伝播として表現は出来よう。三味線の場合を以前式に表現して見た。光速度は空間定数(H/m,F/m)で決まる に光の速度と空間定数の関係を記した。