１２月７日（木）　特任助教　赤石　暁　先生

第７回講義：計算機シミュレーションでみる水の性質

講義概要

水は地球上に広く存在して、我々の生活に欠かせない物質の一つです。とても身近にある水は、実 は他の分子には見られない多くの不思議な性質を持っていることが知られています。例えば、凍る と体積が大きくなる、4度Cで密度が最大になる、表面張力が大きいなどが挙げられます。このよ うな水の性質は未解決な問題も多く、現在でも多くの研究者が注目しています。近年では、コン ピュータの性能の向上により、シミュレーションで水の物性を明らかにしようという研究がなさ れています。最近、水がどのように凍るかが明らかになったのも、計算機シミュレーションのお かげです。

シミュレーションで水の物性を調べる手法として、大きく分けて第一原理計算と分子動力学法 との２つに分類されます。前者は電子も含めた水分子の状態を物理学の基礎原理だけで導くのに 対し、後者は水分子をモデル化することにより非常に大規模な計算をすることができます。我々 の研究室では、この両者を使い分けることで、水の基礎物性から様々な応用に役に立つ研究を行っ ています。本セミナーでは、水に関わる様々な研究結果について講義します。特に、炭素の2次元 物質であるグラフェン表面の濡れ性に関する講演者の最近の研究について紹介します。

キーワード

計算機シミュレーション、第一原理計算、分子動力学、水分子、水素結合、疎水性/ 親水性

レポート課題

1. 計算機シミュレーションが身近に使われている例を挙げてください。
2. 第一原理計算と分子動力学シミュレーションとの違いを述べてください。
3. 分子動力学シミュレーションで水分子がどのようにモデル化されているか述べてください。

実習日程

• 12月12日（火）16:30-17:15
• 12月12日（火）17:15-18:00
• 集合場所：西2号館329号室
• 実習内容：計算機シミュレーション実習

１１月３０日（木）　教授　渡邊　信一　先生

第６回講義：2017年ノーベル物理学賞の背景

講義概要

2017年ノーベル物理学賞は“重力波の観測”に対して与えられる。そこで、関連する電通大の基礎科学研究にも触れながら、重力波観測の背景について述べたい。

1970年代の物理学生の多くは、一般相対論に基づく重力理論に強い関心を持っていた。実際、C.W. Misner、K. Thorne、J.A. Wheelerら三人の数理物理学者による重厚な教科書 “GRAVITATION” (1973年出版)を座右の書としていた者も少なくない。重力波は一般相対論から予言される重力の波動性に関わる現象だが、他の自然を支配する力（電磁気力、核力（強い力）、弱い相互作用）と比べると、重力は圧倒的に小さいことから、重力波の実験的観測は絶望的に困難で、アインシュタインの最後の宿題と呼ばれていた。１９６０年代にジョゼフ・ウェーバーが重力波観測を報じたことで、重力波は一躍研究者の注目を集めたが、残念にも実験結果は誤りであることが判明した。しかし、重力波観測の夢に火を付けた形となり、50年近い年月の末、2015年に最初のシグナルが検出された。

この快挙の陰にはいろいろな事情がある。一つには天体観測技術の向上で大きな質量をもつ天体が次々と発見されたことが挙げられるが、取り分けパルス的に光を発するパルサーと呼ばれる中性子星の発見がある。19８0年代には実験と理論の見事な一致から、パルサー連星は重力波を放出しながらエネルギーと角運動量を失うことが示され、重力波の実在を示す決定的な傍証とされた。また、我々の銀河系の中心に太陽の400万倍ほど重い巨大ブラックホール（候補）が存在することも観測されるようになった。さらに、宇宙には多数のブラックホール連星が存在し、かなりの頻度で合体し、莫大なエネルギーを重力波として放出することも予想されるようになってきた。その試算に基づくと、超高感度マイケルソン干渉計で、ブラックホール連星や中性子星連星の合体で生じる重力波を、年に２−３回程度観測できることになる。超安定レーザー光、高度な除震技術、超高量子効率の光ダイオード、アダプティブ光学など、様々な極限的な技術を駆使して、それまで不可能とされていた10^-20の空間歪をLIGOが感知した。これが、2015年の重力波の観測であった。

2017年に入り、LIGOは中性子星連星の合体を感知し、その情報に基づく光学的観測が世界の多くの天文台で行われた。中性子を過剰に持つ元素の生成に関わるデータを提供するものと期待される。重力波検出が、観測という面から天文学や宇宙論のみならず核物理や元素の分光学などに関わる様々な分野に、大きな進展をもたらすと期待するのは当然であろう。このような発見の背後にある基礎科学技術と電通大の関わりにも触れたい。

キーワード

重力波観測、LIGO、マイケルソン干渉計、巨大ブラックホール、ブラックホール連星、中性子星連星、特殊相対論、一般相対論

レポート課題

講義当日に提出するレポート課題：講義を聞いて，学んだこと，感想などを記述すること．

講義後一週間以内（12月6日まで）に東１号館３階エレベータ前のポストに提出するレポート課題：次のテーマの中から一つ選んで、調査、検討、計算、考察などを行い、その調査研究と思考の過程および自分なりの結論を、A4用紙1枚程度のレポートに簡潔にまとめなさい。

1. 特殊相対論におけるドップラー効果とは何か？
2. 特殊相対論におけるローレンツ収縮とは何か？
3. 電波干渉の仕組みと最近のスペック
4. 原子時計の仕組みと最近のスペック
5. 太陽の１００倍の質量をもつ２つの質点の回転周期を相対距離の関数として見積もる。
（簡単な古典力学の見積もりでよい。）
6. シュワルツシルドの解で r_s > r のとき、遠心力は“遠心力”と言えるか？



7. 重力波観測におけるレーザー光の反射用ミラーはどのように除震しているか？
8. フォトダイオードと太陽電池に違いはあるか？
9. 中性子星連星の重力波観測は原子核物理学に影響を与えるか？
10. 重力による光の湾曲の計測実験にはどのようなものがあるのか？

実習日程

• 12月20日（水）16:30-17:15
• 12月21日（木）16:30-17:15
• 集合場所：東6号館525号室
• 実習内容：研究室見学と研究紹介

１１月１６日（木）　准教授　岸本　哲夫　先生

第５回講義：蛇口を捻れば絶対零度の世界が。を目指して

講義概要

日常的にはあまり触れることのない温度スケールとして，絶対温度というものがある．氷のできる温度は（摂氏）0度だが，絶対温度では約273ケルビン（K）となる． 他にもっと低い温度のものとして，液体窒素：-196度（約77K），液体ヘリウム：-269度（約4K）が挙げられる． ところが，これよりも遥かに”冷たい”nKのオーダーの世界を近年は創り出すことができるようになっている． このほぼ絶対零度という温度領域に到達するためには，レーザー技術の発展と冷却対象となる原子の内部構造や外場との相互作用の理解が不可欠である． この温度領域になると，粒子として扱ってきた気体原子の集団は波動性の振る舞いが顕著となり，ある転移温度を境にボース・アインシュタイン凝縮体と呼ばれる量子気体に相転移する． この量子気体を対象とした研究がこれまでに非常に多岐に渡って精力的になされてきた．

本講義では，これまで先駆者たちが歴史的に積み上げてきた理解と冷却技術をご紹介するとともに，最先端で行われている研究や，我々が現在目指している”蛇口を捻れば絶対零度の世界が”の入口の部分に触れたいと思う．

キーワード

絶対零度，レーザー冷却，量子気体，ボース・アインシュタイン凝縮

レポート課題

1. 室温中（300K）で，ルビジウム原子（⁸⁷Rb）気体は何m/sで飛んでいるか求めよ．
2. レーザー冷却は，原子と光子の間の運動量の授受（光子の吸収・自然放出）によって行われる．波長780nmの光子一個の持つ運動量を求め，それを基に室温⁸⁷Rb原子を減速するのに必要な光子の吸収・自然放出のサイクルの回数を求めよ．
3. レーザー冷却が可能な粒子種は限られているが，その理由を述べよ．

実習日程

• 12月13日（水）16:30-17：15
• 12月20日（水）16:30-17：15
• 集合場所：東6号館619号室
• 実習内容：実験室および実験デモの見学

１１月９日（木）　准教授　酒井　剛　先生

第４回講義：銀河系内での星形成

講義概要

我々の住む太陽系は、数千億個もの恒星の集団である銀河系の中に存在しています。 銀河系には、恒星だけでなく、恒星の元となる希薄なガスも大量に存在しています。 そのガスから、今現在も銀河系内の様々な場所で、恒星が誕生しています。 本講義では、まず、現在わかっている銀河系や宇宙の構造について解説し、その後、 銀河系内でどのように恒星が誕生しているのか説明します。

恒星は、その質量によって異なる一生を送ることが知られています。 本講義では、小質量星と呼ばれる、質量の比較的小さな恒星の一生と、大質量星と呼ばれる、 質量の比較的大きな恒星の一生について、最新の観測結果をふまえて解説します。 また、恒星の誕生を調べるために必要な電波望遠鏡についても解説します。 特に、最近、南米のチリに建設されたアルマ望遠鏡について紹介します。

キーワード

電波天文学、星形成、銀河系、電波望遠鏡

レポート課題

1. 口径1m の光学望遠鏡と同じ空間分解能を、波長1mm を観測する電波望遠鏡で得るには、電波望遠鏡の口径は何m 必要でしょうか。 光学望遠鏡での観測波長を500nm として考えてください。
2. 小質量星と大質量星の違いについて記述してください。
3. 天文学で興味を持ったテーマなど、天文学についての感想を書いてください。

実習日程

• 12月12日（火）16:30-17:15
• 12月13日（水）16:30-17:15
• 集合場所：東3号館10階ロビー
• 実習内容：電波天文用受信機と電波望遠鏡による観測結果の紹介

１０月１９日（木）　准教授　渡邉　恵理子　先生

第２回講義：光干渉による顕微計測と情報処理

講義概要

身近な顕微計測技術である光学顕微鏡の歴史は古く，その起源は17世紀まで遡る．光学顕微鏡は生きた細胞を可視化できるため，生命科学分野での需要が高く，現在も高分解能化，高速化，多次元化など，様々な方向において活発な研究開発が行われている．細胞は基本的に無色透明であるため，可視化する際には，何らかの工夫を施す必要がある．しかし透明な媒質であっても，光が通過する際，その媒質の屈折率に比例した遅れがでる．この遅れ（光位相変化）を測定できれば，染色などの処理をせずに細胞を可視化できる．

本講義では，光学顕微鏡の歴史や，分解能の限界が何によって決まるのか，またそれを打破するいくつかの方法を示す．次に，光の位相分布を記録・再生できるホログラフィーに関して述べ，レンズを用いずに結像可能な，超小型デジタルホログラフィック顕微鏡に関して概説する．さらに，光波の位相情報を巧みに利用した光情報処理システムに関する最近の研究も紹介する．

キーワード

干渉計測，ホログラフィー，定量位相顕微鏡

レポート課題

1. 光学顕微鏡の分解能の限界とそれを打破するための方法を説明せよ．
2. 我々が普段使用しているカメラにおいて，立体情報を得られない理由を説明せよ．
3. ホログラフィーではなぜレンズを用いずに結像ができるのか説明せよ．

実習日程

• 12月19日（火）16:30-17:15
• 12月20日（水）16:30-17:15
• 集合場所：東9号館107号室
• 実習内容：実験室見学と定量位相顕微鏡などのデモ

１０月１２日（木）　准教授　星野　太佑　先生

第１回講義：運動はなぜ体に良いのか　-そのメカニズムとは-

講義概要

運動は体に良いと言われている。その理由を理解するためには、運動に対する2つの身体的応答を理解する必要がある。 1つは急性の応答 (acute)、もう1つは慢性的な応答(ここでは適応と言う) (chronic)である。 前者は運動一回に対する身体の応答、心拍数の増加、活動筋における糖取り込みの活性化などである。後者は定期的に運動を繰り返すことによる身体の適応である。 筋力トレーニングによる骨格筋量の増加などである。どのような慢性的な適応を獲得したいか、それに応じて、一回の運動の内容を考えることが重要である。 なぜなら1回の運動によりどのような急性の応答を誘導したかが、慢性的な適応を決めるからである。そこには刺激→シグナル伝達→転写→翻訳→特異的なタンパク質の増加という、生物学的に非常に重要な概念である「セントラルドグマ」が存在する。この運動による適応を生物学的な視点から理解した上で、もう少し広いスポーツ・健康科学の分野と情報理工科学との融合の可能性をみなさんと議論したい。

キーワード

運動、筋収縮、転写、翻訳、タンパク質、代謝

レポート課題

1. 運動がなぜ体に良いのか、生物学的な視点から説明する。
2. 自分が興味のある分野をスポーツ科学や健康科学に応用することで、どのようなイノベーションを起こすことができるのか考えを述べる。

実習日程

• 12月13日（水）16:30-17:15
• 12月21日（木）16:30-17:15
• 集合場所：東6号館908号室
• 実習内容：実験室見学と研究紹介

学内研究設備見学・実習の申し込み（受講者全員必修）

申し込みは締め切りました．

受講申し込みのお知らせ

申し込みは締め切りました．

ガイダンス

時間：１０月５日（木）１限　

場所：Ａ２０１

UECパスポートプログラムの目的とセミナーの内容をご案内した後，受講希望者数を調査します．