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コンスタンチン・ボグダノフ
「クォンタム」2014年第4号、第5号、第6号、第7号、第8号
エンペドクレスは、2500年前にシチリア島に住んでいた古代ギリシャの哲学者、医師、司祭でした。
エンペドクレスは、万物は土、空気、火、水の4つの要素で構成されていると考えました。愛と憎しみ、あるいは好きと嫌いという二つの対立する力は、これらの要素に影響を与え、それらを統合しあるいは分離し無限の様々な形を作る。
私たちの時代は、物質は原子と分子で構成されていることを誰もが知っており、エンペドクレスの推論は、笑われてしまいますが、エンペドクレスが語った無限の多様な自然は、分子および原子の化学反応に置き換えることができます。
そして、愛と憎しみ、共感と反感はどのような関係があるのでしょうか？
例えば、一枚の紙がコップ一杯の水を愛したり、マッチが石けんを憎んだりすることは、どのようにしてできるのでしょうか？
有名なレオナルド・ダ・ヴィンチが言ったように、真実を判定する唯一の基準は実験であるから、これらの質問に答えるために、簡単な実験を設定しましょう。
実験1.一枚の紙は水の入ったグラスを好むのか？
厚手の紙から一辺15cmの正方形を切り取ります。壁のカレンダーのカバーはこの目的に最適です。水道水の入ったグラスを取り、それを四角い紙で覆い、そっと裏返し、紙をグラスにしっかりと押し付けます。
グラスを裏返し、水の動きが止まったら、紙の保持をやめて手を横に離します。私たちがすべてを正確に行えば、一枚の紙は水の入ったグラスからはがれず、いわばそれに引き付けられます（下の写真を参照）。エンペドクレスは正しい。一枚の紙が水の入ったグラスに恋をしました？なぜこのようなことが起こるのでしょうか？
実験2.なぜマッチは石鹸を嫌うのか？
大きな容器（料理やゼリーの下ごしらえ用のトレー、直径30cm以上の深鍋や鍋、バケツや湯船でもOK）を持っていく。石鹸液の残りを洗い流し、冷たい水道水で満たしておきましょう。次にマッチを持って、その頭を任意のシャンプーに一瞬だけ浸してから、このマッチを水面にそっと置いて離します。マッチの頭が水に触れた「石けんスポット」からすぐに離れるのがわかります（下の写真）。それはまるでマッチがエンペドクレスの言葉を借りれば、石鹸液を嫌って純粋な水に寄り添うかのようだ。なぜ？
実験１と実験２を説明するためには、まず、エンペドクレスの要素の一つである空気が何であるかを知る必要があります。人間は空気なしでは生きられないことを誰もが知っています。私たちの体は空気中に含まれる酸素を必要としています。空気の存在を検出するのは非常に簡単です。これを行うには、あなたが紙のシートを持ち、団扇のようにそれを振ると、移動する空気を顔に感じるでしょう。
地球の表面の上にある空気の層の厚さ-約100キロ。この地球の空気層は大気と呼ばれています。空気は水の約1,000倍の軽さですが、大気はかなり大きな力で私たちの体の表面のあらゆる部分を押しています - １平方センチメートルあたりの力は、１kgの重さに等しいのです。この圧力を大気圧といいます。
山上の大気の厚さは海上よりも薄いので、山上の高いところの空気は圧縮されておらず、気圧が低いということになります。例えば、エルブルス山の頂上では、気圧がソチの半分になっています。
気圧は登山時だけでなく、気温や湿度の変化でも変化します。モスクワの気圧がトゥラ［訳注）モスクワの南100kmにある］よりも低くなると、トゥラからの圧縮された空気がモスクワに向かって移動し始め、南風が吹きます。そのため、気圧を測定することで、天気予報に役立ちます。
フランスの有名な科学者ブレイズ・パスカルは、登山中に気圧の存在を証明し、その低下を実証した最初の科学者です。さらに、パスカルは最初の機械式計算機を設計しました。圧力測定の単位（1パスカル＝1N/m^2）とプログラミング言語の一つにパスカルの名前がついています。
実験3.水から空気を作る方法は？
これは大人の目の前で行うのが一番です。ビニール袋に少量（30ml）の水を入れ、空気を絞り、上部でしっかりと縛ります。そして、袋を電子レンジに入れてスイッチを入れます。数秒後に袋が膨らみ始め、約1分後には電子レンジのほぼ全容量を占めるほど膨らみます。
袋がかなり熱くなることがあるので注意が必要です。2つの質問に答えてください。
1.密閉された袋の中の空気はどこから来たのか？
2. 密閉された袋の中に水を入れていない場合、電子レンジはスイッチを入れたらどうなるでしょうか？
この実験と実験１の説明("一枚の紙はコップの水が好きなのか？") の動画があります。
実験３「水から空気を作るには」では、エンペドクレスの一つの要素（水）から別の一つの要素（空気）が生まれました。実験では、水と空気は熱したり冷やしたりするとお互いに変化し、なんとなく似たような感じになることがわかりました。電子レンジで加熱すると密閉された水の入った袋が膨らんでしまう理由がわからなかった方は、こちらで解説しています。
実験４．グラスはなぜ歌うのか？
この実験は、大人の目の前でやった方がいいと思います。実験には2つの同じグラスが必要です。片方は半分を水で満たし、もう片方は空けておきます。空のグラスの足（スタンド）を左手でテーブルの表面に押し付けます。次に右手の人差し指を水で湿らせ、空になったグラスの上端に沿ってゆっくりとまわしながら、端の指の圧力を少しずつ高めていきます。圧力が十分であれば、この指の円運動で音が出ます。次に、半分が水で満たされたグラスで同じことをします。水の入ったグラスが低い音を出すのが聞こえてきます。
2つの質問に答えてください。
1. なぜグラスが歌い始めるのか？
2. 歌うグラスに水を入れると音程が下がるのはなぜ？
この実験の動画は、Quanticsのウェブサイトに掲載されています。https://old.kvantik.com/files/materials_2014_06.html
イギリスの科学者ロバート・フック(1635-1703)は1660年に、力とそれが引き起こす固体の変形を結びつける法則を発見しました。この法則は、現在ではフックの法則と呼ばれていますが、身体の弾性変形は力の大きさに正比例するというものです。ラテン語では、フックはこの法則を次のように記しています。"Ut tensio, sic uis" 文字通りの意味は "力と同じくらい伸びも同じくらい" 当時、科学者たちは、他人に流用されることを恐れて、発見を暗号化することがありました。フックは彼の法律のラテン語の言葉からアナグラムを作った - アルファベット順に文字を並べ替えた。"ceiiinosssttuu". 彼は1676年にこのアナグラムを発表し、1678年に解読しました。
フックが残した多くの発見や発明の中でも、彼の最も重要な技術的発明である、当時としては前例のない精度を持つ懐中時計について言及しなければなりません。1日1分の誤差を達成しました。このような高い精度を確保するために、フックはアンカー機構（図1）とスパイラルスプリング（図2）を時計のデザインに取り入れました。フックの発明以前は、時計は15分以上の誤差で進んだり、遅れたりするので、毎日巻かなければなりませんでした。19世紀末までにフックのゼンマイ時計は改良され、その精度はさらに10倍に向上し、船乗りは正午の時刻を確定し、海上での経度を0.5度の精度で知ることができるようになりました。
実験４「グラスはなぜ歌うのか」では、ガラスの縁に沿って濡れた指を動かすとガラスが鳴りました。ガラスは川の砂でできており、他の岩石（花崗岩、大理石、石灰岩など）とともに地球の地殻の一部であることが知られています。このように、ほとんどすべての固体は、エンペドクレスの「土」の要素と考えることができ、そのすべてが音源となりうる。では、なぜ固体の接触が音の発生につながるのか、その疑問に答えてみましょう。
実験4 "グラスはなぜ歌うのか？"
グラスがなぜ歌うのかを理解するためには、まず音とは何かを理解する必要があります。これは別の記事で取り上げますが、今のところは「音は空気の振動である」と言っておけば十分です。
固体の振動を伝達して、空気が振動することがよくあります。例えば、人が話すと声帯が喉の中で振動して声が出る。人がギターを弾くとき、弦を揺らしたり、捻ったり、指で叩いたりして音を出します。少し違うのは、バイオリンを弾いた時の音です。ミュージシャンが弓で弦をこすると、摩擦で弦が引っ張られている状態になりますが、弾性力はそれを引き戻す傾向があり、この力が摩擦力を超えるとすぐに、弦は戻り繰り返され、音が聞えます。
歌うグラスは、バイオリンとほとんど同じです：グラスの縁に沿って指を走らせると、皮膚の小さな凹凸がグラスにまとわりついて、グラスが振動します。バイオリンの弦との違いは、これらの振動がミクロなもので、目で見ることができないことです（指で感じることはできますが）。しかし、グラスの中に水がある場合は、グラスの水面に波が現れるのを見ることができます。これは、ガラスが本当に振動していることを意味します。
実験を成功させるためには、ガラスと指が油っぽくないことが重要です（摩擦力がここで働くので）。
水の入ったグラスの方が水の入っていないグラスよりも低い音がするのはなぜでしょうか？
正確な説明は簡単ではありませんが、おおよその現象は次のように説明できます。
空気の振動をゆっくりとさせるような音が、私たちには低く見える。
ここで、バネ振り子で、バネに重りをつけたものを想像してみましょう。Kvantikのサイトに投稿された動画では、プラスチック製のバネとミカンで作れるバネ振り子の振動を確認することができます。経験上、ミカンのあるバネは、ない場合に比べて、はるかに振動数が小さいことがわかります。実際、荷重が大きくなるほど、バネが元の位置に戻るまでに時間がかかります。グラスに水を入れると質量が増えるので、ミカンをくっつけたときのバネのように振動数が小さくなります。
http://kvantik.com/files/materials_2014_07.html
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2つのフォークを取り、それらを組み合わせ、それらの間の隙間に木製のつまようじを刺します。次に、この構造をガラスのゴブレット（または背の高いグラス）に置き、つまみでガラスの端にのみ触れるようにします（右の写真を参照）。同時に、構造物が落ちないように、端にしっかりとぶら下がるようにしてください。これが実際に実行できるという事実は、Kvantik Webサイトのビデオに示されています。
次に、2つの質問に答えましょう。
1. 2つのフォークと1つのつま先の構造が非常に安定しているのはなぜですか？
2. この構造の重心はどこにありますか？
古代ギリシャの有名な科学者アルキメデス（紀元前287～212年頃）は、彼の2世紀前に世界の根源を4つの要素としたエンペドクレスがいたアクラガス（現在のアグリジェント）の町から100キロ離れたシラクーサ（シチリア島）に住んでいました。アルキメデスは幾何学が好きだったので、いくつかの物理法則を発見し、そのうちの1つには彼の名前が付けられています。
アルキメデスの法則は次のように述べています：液体（または気体）の中に沈められた身体は、身体によって変位された液体（または気体）の重量に等しい力を受けます。紀元前1世紀に生き、ユリウス・シーザーの時代にローマの水道橋を設計したローマの建築家ヴィトルヴィウスの書物から、世界は初めてアルキメデスの法則を知った。ヴィトルヴィウスによると、アルキメデスは入浴中に自分の法則を発見し、その直後に裸で家から飛び出し、ギリシャ語で「見つけた！」という意味の「ユリイカ！」と叫び始めたという。
アルキメデスが発見した同じように有名な法則に「てこの法則」があります。古代ギリシアの作家プルターク（45-127）は、アルキメデスが「てこの法則」を利用しようとした珍しい方法を伝えます。アルキメデスは、友人でもあり身内でもあるギエロン王に、与えられた力でどんな重さでも動かすことができると書いたことがあります。要するに「支点をくれたら世界をひっくり返す」ということです。
アルキメデスは、物体の重心の概念を最初に導入し、三角形や平行四辺形の形をした平たい物体の重心の位置を求めた。忘れてしまった方のために、物体の重心とは、その物体の重力の力（地球に引き寄せられる力）が集まる点です。覚えておきましょう。
壁に打たれた釘に物体を吊るすと、数回の振動の後、物体は静止し、その重心は懸垂点の下、つまり懸垂点から垂直に下っていく線上にある。この重心の性質を利用して、図に示した図形の重心の位置を求めてみましょう（Kvantikのサイトの動画も参照してください）。まず、A点から物体を吊り下げ、落ち着いたらA点を通って赤い線を縦に引きます（右図のように）。次に、同じようにB点から物体を吊り下げて青い線を引きます（右図のように）。この図の重心であるC点で線が交差していることがわかります。多くの場合、物体の重心がこの物体の外にあることもあります。Kvantikのサイトに掲載されている動画を見ると、2つのフォークを繋いだ時の重心が2つのフォークの間にあることがわかります。
実験5 なぜフォークは落ちないのか？
2本のフォークをつまようじで固定した構造が、ガラスの端に置いたときに非常に安定していることを示しています。安定している理由は、構造物の重心が支点の下にあるからです（左の図で重心が青、支点が赤で表示されています）。この説明が本当なのかどうかは、もう一回実験してみると（Kvantikのサイトの動画を見てください）わかると思います。
実験６ ボールはどうしてグラスの中に入るのか？
卓球のボールとグラスを持って、テーブルの上にあるように置きます。手などでボールを触らずにグラスに入れることは可能でしょうか？ボールをテーブルの端に押し付けて、グラスでキャッチするなどは禁止です。実際にこれが可能であることは、Kvantikのウェブサイトに掲載されている動画でも紹介されています。
では、2つの質問に答えてください。
1. グラスの中にボールを引きあげ保持する力は何か？
2. この実験は、グラスの壁が上に伸びている形状でも可能でしょうか？
実験6 ボールはどうやってグラスの中に入ったか？
グラスを逆さにしてボールにかぶせ、グラスを回転させる。ボールがグラスの中で回転するようにグラスの壁をボールに押し付け続けます。グラスの口（首）の近くでは壁が先細りになっていて、その傾斜のために横だけでなく上にもボールを押し上げます。ボールの立場で見た場合、それは、遠心分離機や回転木馬のように、ガラスの壁に強く押し付けられ、グラスの軸から最も遠い領域（グラスの壁）に押し出されます。（動画を見るとよくわかります）https://old.kvantik.com/files/materials_2014_08.html
口（首）が拡大しているグラスの場合、この方法は適していません：ボールはグラスから排除されます。
アーティスト アルチョム・コシュチュケヴィッチ
参照
コンスタンチン・ボグダノフ氏による大衆科学講演会「私たちの中の物理学」，2007年12月13日，モスクワ，ФИАН
http://video.elementy.ru/fian/Bogdanov-fpff.mp4
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/izbrannoe/432676/Chetyre_stikhii_Empedokla
