破壊学事始

宇宙から大気に突入してくる宇宙線がある。宇宙線の多くは陽子が90％、ヘリウム原子核が９％を占めている。宇宙線はほとんどが10^18eV以下のエネルギーしか持たないが、まれに10^20～10^21eVのエネルギーを持つ超高エネルギー宇宙線(ultra-high-energy cosmic ray)が観測される。

たとえば、陽子が1個、光速で飛んでいる場合のエネルギーは次のように計算される。

E = 1/2mv^2

m = 1.67x10^-27 , c = 2.99 x 10^8m/s

E = 0.5 x 1.67x10^-27 x (2.99 x 10^8)^2
= 0.75 x 10^-10J

1J = 6.241 x 10^18eV

E = 4.68 x 10^8eV

これは運動エネルギーなので、陽子自体が持つ電荷は含まれない。陽子1個が大気に飛び込んでくると、酸素原子、窒素原子などに衝突して、さまざまな粒子が生じて地表に降り注ぐ。1個の陽子から1000億個の粒子が発生するといわれる。

空気シャワー、proton shower という。大量に発生する粒子は、パイ中間子、ミュー粒子、中性子、電子のほか、ミューニュートリノ、電子ニュートリノなどがある。

ところで、宇宙線の中には10^18eVより大きなエネルギーを持つ超高エネルギー宇宙線と呼ばれる非常にエネルギーの高いものがある。とくに5x10^19eVより大きなエネルギーを持つ最高エネルギー宇宙線 (EECR)の存在がある。

EECRは「2004年から2007年にかけて行われたピエール・オージェ観測所（英語版） (PAO) での最初の観測で、5.7×10^19eV を超えるものは27回しか観測されなかった。これは、3,000km2もの面積を持つ観測所で4週間に1度程度しか観測されないという少なさである」wikipedia

たとえば、光速の1000000倍の速度で突入する陽子は、どれくらいのエネルギーを持つだろうか？　最初の式で計算すれば次のようになる。

E = 4.68 x 10^20eV

これはEECRそのものだ。相対性理論を信じるなら、光速を超える粒子は存在しない。光速に近づくと質量が増えていって、加速されないからだ。EECRの発生源は、超新星爆発、ブラックホール周辺などが予想されている。しかし、星間物質の少ない宇宙空間では、ほとんどさえぎるものがない。相対性理論を無視すれば、荷電粒子は無制限に加速される。

太陽系外からの宇宙線は太陽磁場によって方向が変えられて、あまり多くは太陽系内には進入しない。さらに太陽系内部では、粒子が多いので、ぶつかる可能性が高くなる。地球近傍ではさらに粒子が増える。光速以上の速度を保ったまま大気に突入する宇宙線は、非常に少なくなると考えられる。

光速の10^6倍とはとんでもない速度なのだろうか？　天文学者・トム・フランデンによれば、重力の伝播速度は少なくとも光速の2x10^10倍だ。

電気的地球科学では、相対性理論を無視しているので、宇宙空間での速度制限はない。最高エネルギー宇宙線は、光速を超えてやってくる粒子だ。

追記：計算間違いが合ったので修正

陽子はプラス、電子はマイナスの電荷を持つ。素電荷といって、陽子、電子の持つ電荷は、最初から備わっている性質と考えられている。ところがプラスとマイナスの電荷は、その距離により引き合う力が変わる。距離の二乗に反比例する。近づけば近づくほど電気引力は強くなる。

これが正しければ、陽子と電子は確実にぶつかるはずだ。ぶつかった状態がもっとも電気引力が強くなるので、結合する。太陽風は陽子と電子が混ざった状態のプラズマだ。太陽風は地球に来るまでの間に、陽子と電子が結合して中性子に変化するはずだ。しかし、太陽風の中には、ごくまれにしか中性子は観測されない。太陽風には陽子3個と電子2個で構成されるプロトン化水素が多く見られるだけだ。

陽子と電子は通常の状態ではくっつかない。通常の状態でないときにくっつくかといえば、常温核融合で中性子ができることが観測されている。電気放電、超音波振動を加えると、中性子が発生する。振動する原子核で指摘したが、原子核は励起状態でガンマ線を放射する。陽子1個でもガンマ線を放射している可能性がある。

陽子と電子が引き合う力はクーロン力だ。それぞれが持つ電界のエネルギーがクーロン力を生んでいるはずだ。マクロな系では、プラスとマイナスの電荷が近づくと、放電が起きる。完全にくっついてしまうと、電位差がなくなるので、クーロン力もなくなる。陽子と電子は素電荷なので、たとえくっついても電位差は保たれるのだろうか？もし、マクロな系と同じであれば、陽子と電子は近づくにつれて、電位差を解消する。加速されるので電磁波が放射される。近づけば近づくほど、電子は電荷がなくなり、クーロン力が低下して行って、距離がゼロではクーロン力もゼロになる。

陽子と電子が結合するためには、結合のためのエネルギーが必要になるはずだ。それがニュートリノではないか？　陽子に近づく電子がニュートリノの放射を受け、励起状態になると陽子に結合できる。

また、陽子がニュートリノを受けると陽子の電荷が変動して、電界が輻射される。電界の定在波が電子の接近を妨げる電界の谷間を作り出す。

陽子と電子が近づくとポテンシャルが低下してクーロン力が喪失する。電子がニュートリノを受け取り励起状態になると陽子と結合ができるので、中性子になる。通常は、陽子のほうが大きいため、ニュートリノの放射を受けやすい。ニュートリノにより励起されると陽子の電荷が増えるため、少し大きくなって電界の振動が起きる。電界の定在波（ガンマ線）が陽子の周囲に作られる。定在波のポテンシャルの谷間に電子が落ち込んで、陽子との衝突を避けている。（この定在波は電子軌道も作り出す）この３つの理由によって、陽子と電子はぶつかることがない。

地球膨張はマントルのカンラン石が相転移して、体積が膨張するためだ。相転移に伴い二酸化炭素と水が生じる。

2SiO4 + CH4 -> 2SiO2 + CO2 + 2H2O

地球膨張は氷河期に急激に起こる可能性も指摘した。地球が膨張するため、海の面積が拡大する。海水が足りなくなるので、海水面は低下する。

Sea-level curve for the past 140,000 years, from Bard, et al., 1990.

氷河期に当たる7万年前から1万2千年前の間、海水面は低下していた。1万2千年ほど前から海水面の上昇が始まる。カンラン石の体積が膨張するために起こる海底の拡大と水の発生には時間差があるようだ。

日本では約8千年前に海面の急激な上昇、縄文海進があったがこのグラフでは誤差の中に埋まっている。14万年前から12万年まえにも海水面は急激に上昇している。リス氷期が終わった時期に相当している。

現在は次の氷期に向かう間氷期と考えられている。間氷期でも海水面は変動しているので、いずれ現在の海面も低下する可能性がある。カンラン石の膨張で発生した水の供給が減少するためだ。

問題は次の氷期がいつ始まるかだ。リス氷期とビュルム氷期の間には6万年の間氷期がある。これに従えば、あと4万5千年ほど間氷期は続く。しかしそれは、地球内部にまだ膨張していないカンラン石が残っているとしての仮定だ。もし、カンラン石が残っていない場合どうなるのだろう？カンラン石は水と二酸化炭素だけでなく電子も供給している。地下の電子は、自転、磁場、重力を生み出している。また、地球内部の空洞を電気的反発力で維持するという役目もある。カンラン石の枯渇は空洞の崩壊を意味する。つまり地球の寿命が尽きるのだ。

原子核がガンマ線を吸収、放出するシザース・モードが知られている。原子番号73のタンタルTaの原子核にガンマ線を照射すると原子核の振動が起きる。

https://www.qst.go.jp/site/press/1211.htmlより

プルトニウム、ウランなどの原子でも原子核が振動する。原子核が励起状態から安定化することは、ガンマ崩壊で起きている。原子核は陽子が電子により結合された状態だ。陽子にガンマ線が当たると電荷が増える。クーロン力が強くなる。原子核は陽子が複雑な形状を保っていることが予想される。突出した部分や陽子と陽子が近づいている部分も多い。陽子の電荷が一定なら原子核の構造も変わらない。陽子の電荷が増えると、陽子同士の反発が強くなり、原子核の構造が変わる。

シザース・モードにはより細かな励起状態の変化が観測されている。現状ではタンタルよりも重い元素でよく見られる現象とされるが、原子数の少ない元素でも原子核の励起、安定化―陽子振動はあると予想できる。

この図は9Beの原子核を予想したものだが、端っこにある陽子は、電子2個でぶら下がっているだけなので、不安定な状態だ。陽子の電荷が変化すれば、陽子を結合している電子のクーロン力に引かれて、構造が変化する可能性がある。端にある陽子がほかの陽子と新しい結合をすれば、陽子→中性子へと見かけが変化する。あるいは逆もあるだろう。陽子が受け取る電荷の変化が核変換を引き起こす。

もう少し飛躍して考えれば、原子核の励起は、軌道電子の状態を変える。通常は、軌道電子のマイナス同士が反発するため、原子核と原子核の距離は一定以上には近づかない。ガンマ線で陽子振動＝原子核振動を変えれば、原子間距離を近づけることが可能ではないか？

LENR - Low Energy Nuclear Reactions、常温核融合技術になんらかの影響を与える可能性もある。というか、これ、常温核融合の原理じゃないか？

電波は大気中の分子を媒介にして伝わる電界のパルスであると考えている。では、アンテナはどのようにして、分子により伝えられる電界を同軸ケーブルに取り込むのだろうか？

ダイポールアンテナはもっとも良く使われるアンテナだ。波長の1/2の長さの銅線で作られる。同軸ケーブルが真ん中にあるので、片側は1/4波長になる。この銅線に平行に電界のパルスが来ることを考えてみる。アンテナに対して平行にやってくる電波がもっとも感度が良いからだ。

片側の銅線だけを考えてみると、電界の濃淡が一様に銅線を荷電させる。このとき、空気分子から銅線内部の電子に電界が移動するのは、遠隔作用だ。このままでは電荷が同じなので、銅線には電流は流れない。

もう少し銅線内部の電子を考えてみる。一番端にある自由電子がもっとも高い電界を受けたとする。受けた瞬間は銅線内部の電界が一様なので、電子は移動しないが、次の瞬間、少し弱い電界が銅線に伝わる。高い電界を受けた電子は弱い電界のほうに向けて少し移動する。銅線内部の電界は、電波の電界によって強くなったり弱くなったりを繰り返す。弱い電界に向けて自由電子が移動するが、1/4波長の距離を移動する時間と電界の谷間がアンテナの中心にくるタイミングが合うと、もっとも高い電界が同軸に流れる。これが共振現象だ。

通常、銅線内部を電流が移動する速度は、大気中を電波が進む速度より遅い。この速度の差は、アンテナを設計するときの短縮率に現れる。アンテナの長さは、光速度を周波数で割った波長より、少しだけ短くなる。アマチュア無線では経験的にダイポールアンテナの短縮率が0.9程度であることを知っていた。

アンテナが電波を電圧に変えるメカニズムは、電波が波のようにやってきてアンテナに当たる説明が多いが、電界のパルスで説明すると理解しやすいのではないかと思う。