How quantum mechanics explains global warming - Lieven Scheire

翻訳: Keiko Marutani 校正: Masaki Yanagishita

You've probably heard that

二酸化炭素が地球温暖化を

carbon dioxide is warming the Earth,

起こしているということを たぶん聞いたことがあるでしょう

but how does it work?

しかしどのような 仕掛けなのでしょうか？

Is it like the glass of a greenhouse

温室のガラスのようなものでしょうか

or like an insulating blanket?

それとも 断熱毛布のようなものでしょうか

Well, not entirely.

いえ 必ずしもそうではないのです

The answer involves a bit

その答えを出すには 量子力学が必要ですが

of quantum mechanics, but don't worry,

でも 心配無用です

we'll start with a rainbow.

虹から説明を始めましょう

If you look closely at sunlight separated

プリズムを通して

through a prism,

分光された太陽光を よく見ると

you'll see dark gaps where bands of color went missing.

暗いギャップがあって 抜けている色があります

Where did they go?

その光は どうなったのでしょう？

Before reaching our eyes,

私たちの目に到達する前に

different gases absorbed those

光のスペクトルの中の 特定の部分を

specific parts of the spectrum.

様々なガスが 吸いとってしまったのです

For example, oxygen gas snatched up

例えば 酸素ガスが

some of the dark red light,

暗褐色の一部を横取りし

and sodium grabbed two bands of yellow.

ナトリウムが黄色の帯 二本を 持っていってしまったのです

But why do these gases absorb

しかし それらのガスは

specific colors of light?

なぜ特定の色の光を 吸収するのでしょうか？

This is where we enter the quantum realm.

ここで量子力学の出番です

Every atom and molecule has a set number

原子や分子には それぞれの電子が持つことのできる

of possible energy levels for its electrons.

決まった数の エネルギー準位があります

To shift its electrons from the ground state

電子を 基底準位から上の準位に

to a higher level,

シフトするために

a molecule needs to gain a certain amount of energy.

分子はある一定量の エネルギーを獲得する必要があります

No more, no less.

過不足は許されません

It gets that energy from light,

そのエネルギーは 光から受け取ります

which comes in more energy levels than you could count.

光のエネルギー準位は 数えきれないほどあります

Light consists of tiny particles called photons

光は光子と呼ばれる 微小の粒子であり

and the amount of energy in each photon

光子一つ一つに含まれる エネルギーは

corresponds to its color.

その色に対応します

Red light has lower energy and longer wavelengths.

赤色の光はエネルギーがより低く 波長はより長くなります

Purple light has higher energy and shorter wavelengths.

紫色の光はエネルギーがより高く 波長はより短くなります

Sunlight offers all the photons of the rainbow,

太陽光は虹の光子すべてを 提供しており

so a gas molecule can choose

ガス分子は 一つ上のエネルギー準位に

the photons that carry the exact amount of energy

シフトするために必要となる エネルギーの

needed to shift the molecule to

光子を選び出すことができます

its next energy level.

光子を選び出すことができます

When this match is made,

その組み合わせが完成し

the photon disappers as the molecule

分子がエネルギーを受け取ると 光子は姿を消し

gains its energy,

虹に細いギャップが現れるのです

and we get a small gap in our rainbow.

虹に細いギャップが現れるのです

If a photon carries too much or too little energy,

もし光子の運ぶエネルギーの量が

the molecule has no choice but

多すぎたり 少なすぎると

to let it fly past.

分子は光子を通過させるしかありません

This is why glass is transparent.

ガラスが透明な理由は そこにあります

The atoms in glass do not pair well

ガラス中の原子は可視光に含まれる

with any of the energy levels in visible light,

エネルギー準位のいずれとも 相性が悪く

so the photons pass through.

光子は透過してしまうのです

So, which photons does carbon dioxide prefer?

では 二酸化炭素が好むのは どの光子なのでしょうか？

Where is the black line in our rainbow

地球温暖化に対応する黒いギャップは

that explains global warming?

虹のどこにあるでしょうか

Well, it's not there.

実は ありません

Carbon dioxide doesn't absorb light directly

二酸化炭素は太陽から直接

from the Sun.

光を吸収するのではありません

It absorbs light from a totally

二酸化炭素はまったく別の

different celestial body.

天体から光を吸収します

One that doesn't appear to be emitting light at all:

まったく発光してなさそうな 天体からです

Earth.

それは 地球です

If you're wondering why our planet

地球が発光しているように

doesn't seem to be glowing,

見えない理由は

it's because the Earth doesn't emit visible light.

可視光を放射してないからです

It emits infared light.

地球は赤外線を 放射しているのです

The light that our eyes can see,

虹色全色を含む可視光線は

including all of the colors of the rainbow,

虹の全ての色ですが

is just a small part of the larger spectrum

より広い電磁放射スペクトル全体の中では ほんの一部です

of electromagnetic radiation,

which includes radio waves, microwaves,

電磁放射は 電波 マイクロ波 赤外線

電磁放射は 電波 マイクロ波 赤外線

infrared, ultraviolet, x-rays,

紫外線 X線 ガンマ線を含みます

and gamma rays.

紫外線 X線 ガンマ線を含みます

It may seem strange to think of these things as light,

それを光とみなすのは 奇妙かもしれないですが

but there is no fundamental difference

可視光と他の電磁放射との間に

between visible light and other electromagnetic radiation.

根本的な相違はありません

It's the same energy,

エネルギーという意味では同じで

but at a higher or lower level.

対応する準位が高いか低いかの違いだけです

In fact, it's a bit presumptuous to define

実際には 光を見る能力に 限界のある私たちが

the term visible light by our own limitations.

「可視光」を定義すること自体 いささか僭越なことです

After all, infrared light is visible to snakes,

なぜなら 蛇には赤外線が見えますし

and ultraviolet light is visible to birds.

鳥は紫外線が見えるのですから

If our eyes were adapted to see light of

1900メガヘルツの光を肉眼で 見ることができるようになれば

1900 megahertz, then a mobile phone

1900メガヘルツの光を肉眼で 見ることができるようになれば

would be a flashlight,

携帯電話は懐中電灯になるでしょうし

and a cell phone tower

基地局の鉄塔は

would look like a huge lantern.

巨大な街灯のように見えるでしょう

Earth emits infrared radiation

温度が絶対零度以上の あらゆる物体が発光するので

because every object with a temperature

温度が絶対零度以上の あらゆる物体が発光するので

above absolute zero will emit light.

地球も赤外線を放射しています

This is called thermal radiation.

これを熱放射と呼びます

The hotter an object gets,

物体は温度が高くなればなるほど

the higher frequency the light it emits.

高周波の光を放射します

When you heat a piece of iron,

鉄の塊を熱すると

it will emit more and more frequencies of infrared light,

赤外線の周波数を もっともっと放射し

and then, at a temperature of around 450 degrees Celsius,

摂氏450度に達すると 放射される光は

its light will reach the visible spectrum.

可視スペクトルに到達します

At first, it will look red hot.

最初 鉄は 熱い赤色に見えます

And with even more heat,

そして さらに熱すると

it will glow white

可視光の周波数をすべて

with all of the frequencies of visible light.

カバーして 白く発光するようになります

This is how traditional light bulbs

従来の電球は このような仕組みで

were designed to work

設計されており

and why they're so wasteful.

無駄が多い理由です

95% of the light they emit is invisible to our eyes.

放射される光の95%は 目には見えない光で

It's wasted as heat.

熱として無駄になってしまいます

Earth's infrared radiation would escape to space

地球の放射する赤外線は

if there weren't greenhouse gas molecules

温室効果ガス分子が大気中にない場合

in our atmophere.

宇宙空間に飛び出していきます

Just as oxygen gas prefers the dark red photons,

酸素ガスが暗褐色の光子を 好むと同じように

carbon dioxide and other greenhouse gases

二酸化炭素と 他の温室効果ガスは

match with infrared photons.

赤外線光子に適合します

They provide the right amount of energy

赤外線光子から 受け取るエネルギーで

to shift the gas molecules into their higher energy level.

ガス分子を高いエネルギー準位に シフトすることができるのです

Shortly after a carbon dioxide molecule

赤外線の光子を吸収した 二酸化炭素分子は

absorbs an infrared photon,

赤外線の光子を吸収した 二酸化炭素分子は

it will fall back to its previous energy level,

すぐに最初の 低いエネルギー準位に戻り

and spit a photon back out in a random direction.

ランダムな方向に向けて 光子を放出します

Some of that energy then returns

そのエネルギーの一部は

to Earth's surface,

地表に戻り

causing warming.

温暖化の原因となります

The more carbon dioxide in the atmosphere,

大気中により多くの

the more likely that infrared photons

二酸化炭素があると

will land back on Earth

より多くの赤外線光子が地表に戻るため

and change our climate.

気候に変化をもたらすのです