らじおが聞こえる仕組みを教えて

ども、たけけんです。

ふだん何気なく使っているWifiや無線LAN、LTEとか、らじおとか。何も考えないで誰でも簡単に日常的に使っているものですけれど、ちょっと気になったのでこの中だと一番簡単そうならじおについて調べてみました。

電波

光に含まれていて速度は不変。秒速30万kmで電磁界を伴って進行する電気的な波ということのようです。中部電力さんのウェブサイトから引用すると、電磁界とは電界と磁界を合わせたもので、地球もまた大きな磁石で大地と雲は大きな電池とも考えられる。
電磁場というのはそこら中にあると言えるようです。

持っている性質は「直進」「回折」「反射」「屈折」。です。

空の上の方に電離層というものが存在して電波を反射するそうなので、電離層<=>地表面という感じで反射を繰り返して、地球の反対側まで電波を届かせることも技術的に可能だそうだ。実際に海底ケーブルや衛星通信が普及するまでは使われてたらしい。

また電磁波は物体の温度を上げていっても発生するらしい。ここまでの説明だとパッとしないことけれども、どうもこれは重要なことらしい。

んで、家庭用無線LANで周波数の設定ができるものがあるので今では有名かもしれないけれども、周波数が高いほど運ぶことができるデータ量が多く遠くまで届かない。周波数が低いほど運ぶことができるデータ量が少なくて遠くまで届く。という感じです。

 

最初に「電波は光に含まれていて」と書いていたから、漢字的に光は波なんだなって感じるかもしれないのでちょっとだけ光について掘り下げると、光というのは、というか光以外のすべての粒子も粒子としての性質、運動量、波としての性質、波長も持っています。by ドプロイさん

波長 × 運動量 = プランク定数。
プランク定数をh、振動数をν、とすると光のエネルギーEはhνとなるそうです。
E = h ν
光というのはhνを1つの単位として、とびとびの値しか取れなくて不連続な値をとるそう。
公式にあるようにエネルギーは振動数νに比例して大きくなる模様。
また波長λは振動数に逆比例するそうなので、波長が短い光ほどエネルギーが大きくなります。

赤外線の振動数は 760 – 830 nm付近として
(299 792 458 (m / s)) / (760 nm) = 3.94463761 × 1014 ヘルツ
なのでおよそ400テラヘルツになります。

 

ラジオが聞こえるのはなんで

たとえば電話は音を電気信号に変えて、電線を通じて入ってきてます。音声を電波にしても音の周波数というのは低くてそのまま飛ばすことはできないので、周波数の高い電波を作って、音声信号と組み合わせて電波として送信しているそうです。

昔、投稿特報王国というテレビ番組があって確か姉妹の方で二人の声を掛け合わせて声で電話をかけるというスキルを披露してるのがありましたね。
今回の話には関係ないです(笑)。

さっきにも書いてた波の性質を復習すると、低い電波は、ビルや建物や山があっても回り込みで広い範囲で受信することができるけれど、他の電波の影響を受けやすい。
家電製品の影響などなどでノイズが発生しやすいらしいです。高い電波は直進性が強いけれど回り込みに弱くて直接電波が届かないと受信できないらしいです。

放送っていうのは電波を作る発振器と音声信号を合成、また、電波に音声を組み合わせることを変調という。
声が電波に乗ってる感じのようです。そんな歌もありましたね。

ブログの冒頭で無線LANとかLTEとか書いといてなんだよと思うかもしれないけれども、変調についてはとても書ける自信がないのでスルーする。
WIkipediaにまとまっています。

 

らじおの受信機

受信機は電波から音声を降ろして耳で聞こえるようにする道具。
アンテナ➡︎同調回路➡︎検波回路➡︎出力回路

  • アンテナ
    電波がアンテナにあたると微弱な電気が発生する。
  • 同調回路
    微弱な電気にいろいろな種類の電波が混ざり合っていて、その中から目的とする周波数の電波だけを選択します。
    コイルとコンデンサの組み合わせでちょうどいい周波数が強く振動するようになっているそうです。
  • 検波回路
    音声が混ざった電波がここを通ると音声が取り出せる。
  • 出力回路
    音が出ます。

ざーーっくりとまとめてみました。

 

簡単に耳の仕組み

耳は大きく分けて、耳介から外耳道を外耳、鼓膜から耳小骨を中耳、蝸牛、三半規管、前提を内耳とした3つの部位から成り立ってます。

外耳で音を集め、骨が振動して音が増幅され、蝸牛の中にあるリンパ液を振動させて、それから電気信号に変換されて脳に送られて、脳の中で信号処理して初めてやっとそれが言葉だったり音だったりを認識しているそうです。

少し本題から逸れるけれど、脳が解釈できない電気信号は雑音として処理されたり、知らない英単語、予測できなかった言葉は認識に支障がでたりしますね。

 

量子論

今回はさらっとだけ。

光とか電波とか調べてると、光子か量子とかに辿り着くかなと思うのだけども、実のところ量子論でもって過去のブログ記事を考察したりしようと量子について調べていたのです。物理ぜんぜん知らないので概念みたいなものの自己解釈になっちゃうけど。

マクロとかミクロとか

おおよそ世の中では原子より大きな世界と小さな世界でマクロとミクロとか言うそうで、原子より大きな世界では物質と状態をはっきりと区別できるそうです。

はっきりと区別の反対はあいまいってことかと。

たとえば古典物理の法則を使うと、いま手元にある消しゴムをどれくらいの強さでどんな環境の部屋でどの方向に投げましたとすると、その消しゴムが何秒後かにはどこに存在していて、どんな軌道を描いて、最終的にどこに落ちるかというのが予測できたりします。
マクロの世界、日常生活においては先ほどまで書いていた波の性質は考慮しなくて良くて、基本的にその法則で生活することができる。たぶん頭で考えるとそんな感じ。

それが原子より小さい世界では通用せず、宇宙でも通用せず。ミクロの世界の探求は量子論、宇宙の探求は相対性理論と量子論、ざっくり調べた感じそんな感じらしいです。

最初に混乱しそうな内容ですが電子というのは物質ではなくて状態だそうです。状態。
新しい物理を知らないと初めて聞く言葉が多い。素粒子だとかクォークだとか。

ちょっと化学の復習です。
原子というのは中心に原子核があり、そのまわりに一つから複数の電子が存在する。原子核は陽子と中性子がいくつか結合して領域に固まっている。原子核中にある陽子の数はまわりの電子の数と等しい。個体や液体中では原子はくっついている。

たぶん学生時代の化学では電子は原子核のまわりの軌道上を回っていると習ったと思いますがこの辺が異なる部分ですが詳しくはまた今度。

電子も粒子性と波動性を併せ持っていて、そのどちらも状態。

状態って・ぇ・・・って思いますよね。

波の性質をまたざっくりに書くと、雲みたいにふわふわーっと広がったエリア(概念的なイメージ)があって、その可能性の範囲で確率的に観測することができ、シュレディンガーの猫で有名なシュレディンガーさんの方程式でその状態を決定することが可能だそうです。
ちなみに電子を観測すると、観測した時点でその他にあった可能性はなくなる。で、波動関数の収縮と呼ばれていて、誰も説明できないけれど答えがあってるし理由は問わなくて問題ないという感じらしい。問題になってないのなら問題ないっちゃ問題ないけれど。

不確定であり重なり合っている確率解釈。
量子力学では対象を状態の重ね合わせとして記述し、観測によって一つの状態がある確率で実現する。By Wikipeaia

状態っていうのはそういうことらしい。

世の中の物理学者の全員がそれでOKって言ってる訳でもなく、上にあげたものはコペンハーゲン解釈と呼ばれていて、現実的にはシュレディンガー方程式でいろいろな開発もできているらしいので問題ないという状況のようです。

ジョン・フォイ・ノイマンさんは波の収縮は数学的に説明できないと仰っていたそうで、ノイマンさん的には収縮は意識が決定しているとのこと。あのノイマンさんが言うなら正しいのかなと思ってしまうけれど、シュレディンガーさんがそれを否定して猫の話をしたそうだけれども、方程式で決定できるのは、ある状況の下で量子系が取り得る量子の状態を決定し、また系の量子状態が時間的に変化していくかを記述できるってところであって、収縮について数学的に説明できないというのは正しいのでしょうかね。

そしてあとエヴェレットさんの多世界解釈というのがあり、多世界解釈では、ビッグバンから始まって、素粒子が存在した宇宙、存在しない宇宙という可能性から、世界は可能性の分(重ね合わせになっている状態の数)だけ複数に分かれているという解釈です。

可能性の数だけ次々と枝分かれを繰り返した宇宙のうちの一つが今の宇宙。
また結果的にまったく同じ状態になる場合に限り、二つの世界に分かれた状態が再び重なり合って異なる過去が干渉状態を引き起こすことになる。
共存度という言葉があって、共存度が0の場合、その状態は共存していない。0でない状態が1つしかなければその状態が観測される。ものすごい大きい共存度があればまずその状態が観測されるなどなどがあるようです。
この段落がめちゃくちゃ話のネタバレになっているのですが、興味があったらひぐらしのなく頃にというゲーム(というかノベル)をやってみると意外とおもしろいかもしれません。最後まで読まないとアレだけど、全部読むにはものっすごい長いです。

 

日常

上にも書いてたようにものすごい冷たいだとか超電導だとかの特例を除いて、日常生活においてのマクロ世界では波の影響は考慮しなくて良くて古典物理の法則が成り立つというのが今の常識らしいですけど、東北大学さんの発表で「量子速度限界」というミクロ世界で存在すると思われていたのがマクロの世界でも確認したとかです。

東北大、量子速度限界がマクロな物理法則にも存在することを発見

これからこういった発見がどんどん増えていくのですかね。
また以前紹介した鍼灸師さんの話だとか、音楽療法だとかもあるけれども、感情とか意識とか、カラダから放っているもの?だったりとか目に見えない部分の解釈も研究されて、量子の性質・波の性質の影響とか。その他にもいろいろな業界から進められていきそうです。

つづく

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