The invisible motion of still objects - Ran Tivony

静止物の見えない動き — ラン・ティボニィ

翻訳: Reiko Ogura 校正: Shuichi Sakai

Many of the inanimate objects around you probably seem perfectly still.

身の回りにある無生物の多くは 完全に静止している様でも

But look deep into the atomic structure of any of them,

分子構造の内部を詳細に調べると

and you'll see a world in constant flux.

その世界は 常に変化している事が分かります

Stretching,

伸びたり

contracting,

縮んだり

springing,

跳ねたり

jittering,

drifting atoms everywhere.

震えたり

あちこち彷徨ったりと

And though that movement may seem chaotic, it's not random.

無秩序に動いているようですが そうではありません

Atoms that are bonded together,

互いに結合した原子は

and that describes almost all substances,

殆どの物質を決定し

move according to a set of principles.

一連の原則に従って動きます

For example, take molecules, atoms held together by covalent bonds.

共有結合した原子で成る分子には

There are three basic ways molecules can move:

基本的な３つの運動

rotation,

回転

translation,

並進

and vibration.

振動があります

Rotation and translation move a molecule in space

回転と並進運動で 分子が動いている間は

while its atoms stay the same distance apart.

原子間の間隔は変わりません

Vibration, on the other hand, changes those distances,

その一方 振動運動は 原子間距離を変え

actually altering the molecule's shape.

分子の形を変えてしまいます

For any molecule, you can count up the number of different ways it can move.

各分子について 運動の種類を数えることができます

That corresponds to its degrees of freedom,

その数が分子の自由度であり

which in the context of mechanics

力学において

basically means the number of variables we need to take into account

系の状態を 完全に知るために

to understand the full system.

必要な変数の数になります

Three-dimensional space is defined by x, y, and z axes.

３次元空間はx､y､z座標で表されます

Translation allows the molecule to move in the direction of any of them.

並進運動は分子を どの３方向へも動かせるので

That's three degrees of freedom.

自由度は３です

It can also rotate around any of these three axes.

分子はどの座標軸の周りも 回転できます

That's three more,

これであと３自由度です

unless it's a linear molecule, like carbon dioxide.

二酸化炭素のような 直線分子なら２自由度です

There, one of the rotations just spins the molecule around its own axis,

直線分子の座標軸の周りを 回るだけの１回転は

which doesn't count because it doesn't change the position of the atoms.

原子の位置は変わらないので 自由度として数えられないからです

Vibration is where it gets a bit tricky.

振動運動はもう少し複雑です

Let's take a simple molecule, like hydrogen.

単純な分子の例として 水素をみてみましょう

The length of the bond that holds the two atoms together is constantly changing

２原子結合間の距離は常に変化し

as if the atoms were connected by a spring.

あたかも原子同士がバネで 繋がっているかの様です

That change in distance is tiny, less than a billionth of a meter.

その原子間距離の変化は １nm以下と微小です

The more atoms and bonds a molecule has, the more vibrational modes.

原子結合数が多い分子ほど 振動モード数が多くあります

For example, a water molecule has three atoms:

水分子は原子が３つあり

one oxygen and two hydrogens, and two bonds.

酸素原子１個と水素原子２個が ２つの結合で合体したものです

That gives it three modes of vibration:

それで水分子は 振動モードが３つ

symmetric stretching,

対称伸縮振動

asymmetric stretching,

非対称伸縮振動

and bending.

変角振動があります

More complicated molecules have even fancier vibrational modes,

複雑な分子は さらに込み入った振動の仕方—

like rocking,

逆対称面内変角横揺れ

wagging,

対称面外変角縦揺れ

and twisting.

逆対称面外変角ひねりをします

If you know how many atoms a molecule has, you can count its vibrational modes.

分子内の原子数が分かれば 振動モード数も分かります

Start with the total degrees of freedom,

まず分子の自由度は

which is three times the number of atoms in the molecule.

分子内の原子数(N)の３倍です

That's because each atom can move in three different directions.

原子１個が３方向に動くことができるからです

Three of the total correspond to translation

３Nの内 ３つは並進運動で

when all the atoms are going in the same direction.

分子内の原子全てが 同じ方向に動く時です

And three, or two for linear molecules, correspond to rotations.

回転の自由度は３ですが 直線分子の場合は２です

All the rest, 3N-6 or 3N-5 for linear molecules,

その残り３N−６ 直線分子の場合は３N−５が

are vibrations.

振動運動の自由度です

So what's causing all this motion?

こういった分子の動きの原因は

Molecules move because they absorb energy from their surroundings,

分子が周りから 主に熱や電磁放射の形で

mainly in the form of heat or electromagnetic radiation.

エネルギーを吸収し

When this energy gets transferred to the molecules,

そのエネルギーが分子の

they vibrate,

振動

rotate,

回転

or translate faster.

並進運動に 変換されるからです

Faster motion increases the kinetic energy of the molecules and atoms.

運動が速くなれば 分子の運動エネルギーは増加します

We define this as an increase in temperature and thermal energy.

これが温度・熱エネルギー上昇の定義です

This is the phenomenon your microwave oven uses to heat your food.

この現象で電子レンジが 食べ物を温めるのです

The oven emits microwave radiation, which is absorbed by the molecules,

分子 特に水分子が 電子レンジから出る

especially those of water.

マイクロ波放射を吸収し

They move around faster and faster,

運動速度を次第に上げ

bumping into each other and increasing the food's temperature and thermal energy.

ぶつかり合い 食べ物の 温度・熱エネルギーを上昇させます

The greenhouse effect is another example.

地球の温室効果も同じ原理です

Some of the solar radiation that hits the Earth's surface

地球の表面に届く 太陽放射の一部は

is reflected back to the atmosphere.

反射して大気に戻ります

Greenhouse gases, like water vapor and carbon dioxide absorb this radiation

大気中の２酸化炭素や水蒸気 などの温室効果ガスはこの反射光を吸収し

and speed up.

運動速度が上昇します

These hotter, faster-moving molecules emit infrared radiation in all directions,

温度と運動速度を増した大気の分子は 方々に赤外線を放ち

including back to Earth, warming it.

地球を暖めるのです

Does all this molecular motion ever stop?

このような分子運動は止まることが あるのでしょうか？

You might think that would happen at absolute zero,

絶対零度で動きが止まる と思われるかもしませんね

the coldest possible temperature.

絶対零度に達する事に

No one's ever managed to cool anything down that much,

まだ誰も成功していませんが

but even if we could,

成功したとしても

molecules would still move due to a quantum mechanical principle

零点エネルギーという 量子力学の原則により

called zero-point energy.

分子は運動を続けます

In other words, everything has been moving since the universe's very first moments,

つまり宇宙誕生の瞬間から 続いて来た粒子の運動は

and will keep going long, long after we're gone.

人類滅亡後も ずっと続いて行く事でしょう