物理学が築く未来

原子が吸収・放出する光の振動数。原子のエネルギー準位の差で振動数が決まること（振動数条件）がもとになっている

準位の差は原子の種類で決まっているので、その光の振動数は、いつどこで測っても同じになる。光格子時計は、レーザー光がつくる定在波の中に多数の原子を並べて閉じこめ、一度に測ることで精度を高めている。高さによる時間の進み方のわずかな違い（相対性理論の効果）まで測れるので、標高の差を調べることなどへの応用が期待されている。

電子や光などのミクロな粒子が、粒子性と波動性をあわせもつという量子論の考え方

ミクロな世界では、「0 か 1 のどちらか」でなく「0 と 1 が重なりあった状態」をつくることができる。これを利用して、多くの場合を同時に扱う計算を目指している。

加速した電子の物質波の波長が、可視光線の波長よりもはるかに短いから

波を使って見分けられる細かさは、波長の程度まで。電子は電界で加速するほど運動量が大きくなり、物質波の波長 $\frac{h}{mv}$ が短くなる。

重水素などの軽い原子核どうしを核融合させる。反応後のほうが質量の和が小さく、減った質量のぶんのエネルギーが出る

太陽がエネルギーを生み出しているのと同じ種類の反応である。正の電気で反発しあう原子核どうしを近づけるために、燃料を非常に高温のプラズマ（電子と原子核がばらばらになった気体）にする。プラズマは電気をもつ粒子の集まりなので、磁界から受けるローレンツ力を利用して、容器の壁に触れさせずに閉じこめる。

電界で加速し、磁界で曲げている

磁界から受けるローレンツ力は、速度に垂直なので、粒子の速さを変えずに向きだけを変える。加速器は、素粒子の研究のほか、材料の分析やがんの治療、新しい元素の合成にも使われている。原子番号 113 のニホニウムは、加速した原子核を別の原子核に当てる核反応によって、日本の加速器でつくられた。

陽電子と電子の対消滅。陽電子を出す放射性同位体をふくむ薬を体に入れ、陽電子が体内の電子と対消滅して出る γ 線を、体の外でとらえる

対消滅では 2 本の γ 線が互いに逆向きに出るので、両方をとらえると、その直線の上に薬があると分かる。これを数多く集めて、薬が集まった場所を画像にする。

太陽の中心部や、超新星爆発の内部の情報。ニュートリノは物質とほとんど反応しないので、内部で生まれたものが、途中でさえぎられずに外へ出てくるから

反応しにくいので、とらえるには非常に大きな検出器が要る。大量の水をためて、ニュートリノがまれに水と反応したときに出る光をとらえる。

光の干渉。レーザー光を 2 つの向きに分け、遠くの鏡で反射させて戻ってきた光を重ねあわせる

重力波が通ると、2 つの道のりの長さがわずかに変わり、重ねあわせた光の明るさが変わる。経路差で明暗が決まるという、ヤングの実験や薄膜の干渉と同じ考え方である。

波の反射と屈折。人工的に起こした地震波が、地下の地層の境目で反射・屈折して戻ってくるまでの時間を測る

地層の境目では波の速さが変わるので、反射と屈折が起こる。このほか、場所による重力のわずかな違いや、磁気の違いを測る方法もある。

強い磁界の中に置いた体の、水素の原子核に、電波を当てる。原子核が吸収して出し直す電波をとらえて、画像にする

強い磁界をつくるために、電気抵抗が 0 になる超伝導の電磁石が使われる。X 線撮影と違って、X 線や γ 線のような放射線を使わない。