シャボン玉の虹から原子も地震も重力も見える！ 〜 物理の目「干渉縞」のすごい力 〜

シャボン玉に見える虹色の模様は、単なる光の遊びではなく、原子から地震、そして宇宙の重力波までを「見る」ための物理学の根本原理につながっています。

このスライドでは、身近なシャボン玉の干渉縞から出発し、ニュートンリング、X線回折（XRD）、衛星によるInSAR解析、重力波検出まで、「干渉」が物理学の目として働く様子を紹介します。

光の干渉がどのようにして目に見えない世界を可視化するのか――
原子から地殻変動、宇宙の果てまでスケールを超えて働く「干渉縞のすごい力」が伝われば嬉しいです！

Transcript

1. シャボン玉の虹から原子も地震も 重力も見える！ 物理の目「干渉縞」のすごい力
2. 自己紹介 さめ(мег-сск) ⚛️ VRChat物理学集会の主 催 🧑‍🎓 社会人学生として通信制 大学在学中 得意分野: 📸 コンピュータビジョン (画像認識/点群処理) 🌍 空間情報処理 (地理情 報/リモートセンシング) ☁️ クラウドインフラ設 計/IaC (AWS, GCP) GitHub YouTube Speaker Deck
3. 今日話すこと シャボン玉でなぜ虹色が見えるのか？ まったく同じ原理で原子も地震も重力も見える！ X線回折、InSAR、重力波検出など
4. シャボン玉でなぜ虹色が 見えるのか？
5. ニュートンリング 平凸レンズを平面ガ ラスの上に置くと現 れる同心円状の干渉 縞 原理: レンズと平面の 間の空気層で光が反 射 → 上面反射と下面反 射の光が干渉 ニュートンリングの実際の写真
6. なぜ同心円になるのか？ 空気層の厚さ と 半径 の関係 : レンズの曲率半 径 d r d = ​ 2R r2 R
7. 干渉縞の明るさ 光路差 （往復分） 💡 明るくなる条件 波が同位相で重な る 🌑 暗くなる条件 波が逆位相で打ち 消し合う ≃ 2d 2d = mλ 2d = m + ​ λ ( 2 1 )
8. 測定の困難さ 📏 測定容易 リング半径 mm〜cm単位 定規やノギスで 測定可能 目で見える大き さ 🔬 測定困難 空気層厚さ μm単位 通常の測定器で は不可能 r d
9. 具体例の計算 具体例で計算してみると... リング半径 mm を測定 レンズ曲率半径 m 目で見える5mmから、見えない12.5μm が分かった！ r = 5 R = 1 d = ​ = 2 × 1 m (5 × 10 m) −3 2 12.5 μm
10. 🌈 干渉縞は「増幅装置」 目に見えないμmの世界 → 目に見 える縞模様の間隔（mm単位） 数100~1000倍の拡大効果 ⇓
11. 🫧 シャボン玉の虹色の原理 1. 膜厚が場所により異なる 2. 膜の厚さで光路差が変わる 3. 色ごとに強め合う条件が違う 赤（700nm）が強め合う場所 青（450nm）が強め合う場所 ニュートンリングとの違い 媒質：空気層 → 石鹸水の薄膜 形状：同心円 → 不規則な模様
12. 💡 この原理が基礎となって... 原子の配列を見る → X線回折（XRD） 地殻変動を測る → InSAR 重力波を検出する → LIGO
13. X線回折 （XRD, X-RAY DIFFRACTION） 原子の配列を「見る」技術
14. X線回折とは 🔬 1912年 マックス・フォン・ラウエが発見 X線が結晶で回折することを発見 原子配列を直接「見る」初の技術 マックス・フォン・ラウエ X線回折のパターン
15. ブラッグの法則 光路差 = の時にX線同士が強め合う！ 2d sin θ = nλ
16. 回折パターンから構造を解く 1. 測定: 回折パターンを記録 角度 での強度を測定 2. 計算: ブラッグの式を適用 3. 構造決定: 格子定数の決定 原子配列の3D構造を再構築 θ d = ​ 2 sin θ nλ
17. XRDの測定例 WTe のXRDパターンと結晶構造(W:灰色, Te:赤) ピークの位置(強め合う角度)から結晶構造を決定でき る！ ​ 2
18. XRDの応用例 材料科学 材料の結晶性評価 地球科学 地質調査 美術品の分析 顔料の分析による真贋判定
19. INSAR (合成開口レーダー 干渉法) 宇宙から地殻変動を「見る」技術
20. INSARとは 人工衛星から地 表の変位を測定 広範囲を観測可 能 何が測れる？ 地震による地殻 変動 地盤沈下 Image credit: JAXA
21. INSARの測定原理 衛星から電波を送信 同じ場所を2回観測 地殻変動があれば距離が変化する 2回の観測の位相差を計算 Image credit: 宙畑
22. INSARで見えた熊本地震 (2016年) 地震による地盤変 動 最大で1mの変 動 観測の特徴 震源を中心とし た干渉縞 Image credit: ESA
23. INSAR技術の優位点 🚨 災害監視への貢献 迅速な被害把握 発災後数時間で解析完了 広域被害の全体像把握 立入困難地域の状況確認 🌏 長期的な観測 同一地点を数年間継続して観測可能 地盤沈下のような長期的な変動の把握
24. 重力波検出 時空の歪みを「見る」究極の技術
25. 重力波とは 🌌 アインシュタイン の予言 質量が動くと時 空が歪む その歪みが波と して伝わる しかし歪みが小さ すぎて見えなかっ た... 🏆 歴史的瞬間 2015年9月14日 LIGOが初検出 ブラックホール 合体による重力 波 アインシュタイ ンの予言から99 年
26. LIGOの測定原理 L字型の4kmアームにレーザを往復させる 重力波が通過すると... 一方のアームが伸びる もう一方が縮む Image credit: Google Maps
27. 干渉で重力波を検出 マイケルソン干渉計で検出 アームの伸び縮みによって光路差が変化 → 干渉パターンの変化 の変位を検出！ 10 m −18
28. 驚異的な感度 📏 どれくらい小さい？ 検出された変位: これは... 陽子の大きさの1/1000 地球-太陽間の距離に換算すると水素原子1 個分に相当！ 10 m −18
29. 検出された重力波 🌟 GW150914（初検出） ブラックホール合体 太陽3つ分の質量に相当するエネルギーが 重力波として放出
30. 重力波検出の快挙 陽子よりもはるかに小さい変位を検出 様々なノイズ低減、干渉の増幅を利用 しかし根本的な観測原理は古典的なマイケルソン 干渉計！
31. まとめ：干渉縞は物理学の「目」 🌈 すべて干渉縞を利用 光路差 → 位相差 → 干渉パターン 見えないものを見える化 微小な変化を増幅 原子から地球、宇宙まで シャボン玉の虹と根本的には同じ原理！ 干渉縞は物理学の「目」である！
32. LT登壇者の募集 物理学集会ではLT登壇者を募集しています！ どんなジャンルでもOK！ 応募がないと主催がまたLTという名目のジャイ アンリサイタルを開くことになります... 興味のある方は物理学集会のDiscordサーバーま で！