水はどうして透明なの？

闇のapj @apj

(6)デバイ型ってのは周波数を対数表示にしたときに虚部が左右対称な形になって実部がなまった段差みたいな形になるやつ。 jstage.jst.go.jp/article/jsfe20…　の図2のような形。で、誘電損（虚部）に角振動数を掛けたものが電磁波の吸収係数の形を与える。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(5)もう一つの問題はちょっと専門的になる。電子レンジで水を加熱できる理由は、水の誘電損のピークが25GHzにあってその裾野を叩いているからなんだけど、水の誘電損だけではなく誘電体の電場応答のスペクトルの形はだいたい「デバイ型」であることが多い。 jstage.jst.go.jp/article/jsfe20… twitter.com/apj/status/166…

2023-06-04 11:38:14

闇のapj @apj

(7)ここからは電気物性やった人向け。実は何を測定してもデバイっぽい（多少分布があったり非対称になることがあるけど）ものが出てくる。このデバイ型緩和の虚部は、高周波数側で１／ωで減衰していく。吸収係数を得るためωを掛けると定数になってしまう。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(8)だからもし水の25GHzの緩和（主緩和という）がほぼデバイ型だとしても、ずっとデバイ型だとすると、吸収係数を高周波数側に延長すると可視光の全ての色に対しても一定の吸収を持ち、水が黒くなってしまうことになる(black water)。実際には水はほぼ透明なので観測事実にあわない。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(9)何を測ってもだいたいデバイ型の誘電損が得られる。デバイ型緩和は、階段状に電場を変えた時に分極の応答が指数関数的に変化するという場合に得られる形。このへんの計算は複素関数やフーリエ変換が要るので学部２年生以上かな。たいていの教科書では、応答を指数関数と決め打ちして出してる。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(10)指数関数と決め打ちしない場合はどうするかというと、熱揺らぎというランダム力に叩かれながら回転ブラウン運動する分極の古典的な運動方程式（ランジュバン方程式）の解を求め、初期状態が熱平衡状態で、そこにある時刻に電場がかかったらどうなるかを計算する。すると指数関数減衰が出る。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(11)これを書いてある教科書は少ないのだけど、ちょっと古いがEvansらのMolecular Dyanmicsという本にやり方が出ている。問題は、運動方程式であるランジュバン方程式を書いた時に、時間の２階微分の項（慣性項）を落とすという近似をしていることになる。この近似をoverdamped limitという。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(12)大元の運動方程式で慣性項を落として計算すると指数関数減衰が出てデバイ緩和まで持ってこれる。もし慣性項を落とさなければデバイ緩和ではなく減衰振動の形（高周波側は1/ω^3で減衰）解が得られる。この場合は電磁波の吸収は発散せず水は透明。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(13)観測結果をよく説明するモデルであるデバイ緩和は、ある程度高周波までいくと成立しないということ。だいたいTHzぐらいのところで（なぜか）慣性項がきいてきて、そこから先は1/ω^3で減衰するようになる。しかしこれで説明終わりどころか実はスタートラインだったりする。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(14)この「なぜか」（多分THzあたりで）慣性項がきいてくる（overdamped limitの近似不成立）の理由の説明が難しいというか私は未解決だと思ってて今の研究テーマにしている。古典的なランジュバン方程式を見ているだけでは近似がどこで破れるべきかという情報は一切入ってこないのよ。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(15)ただ、近似が破れる周波数領域は現実に分子間の衝突や振動、分子内の振動がある領域。電磁波の吸収の素過程は量子論の枠組みで扱い、分子内振動や分子間振動ぐらいまでは今だと計算機で何とかなる。それを低振動数の誘電損のあたりまでどうやって拡張するかが難しい。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(16)物質側が振動的でエネルギーの離散準位を出てる場合は計算できるけど、電磁波使って観測したときにエネルギーが離散的に決まらない（稠密か連続になってるかもな）領域をどう扱うかという問題はなかなか厄介で今方法を探してる。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(17)私に解ける話かどうかは知らんけど問題があることは多分確かだろうと考えてる。まあこんな具合に、水がなぜ可視光で（振動の倍音の吸収でわずかに青い以外）透明かという理由を説明するだけでも割と面倒だし下手すると現役の研究テーマまで行くんですよねえ。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(18)昔はマイクロ波〜ミリ波のあたりの誘電測定と、赤外・ラマンの測定周波数は例外を除いて実験が繋がってなかったので理論やモデルで別扱いでも不具合があらわにならなかった。THz測定やら分光器の進歩やらで抜けてたところが実験的に繋がったので、さてどうしたもんかと。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(19)あとこの話で昔困ったのは、高校生が探求とかSSHの活動で水が青い理由を調べるのをテーマにしてたのに遭遇した時。どっかの大学でばっちり解説まで出て教育コンテンツになってるのにたどり着けなかったから未解決と思っちゃった。なのでこの手の活動するときは英語での検索も必須。 twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

(20)高校生に英語での検索（ちょいと専門用語含むかも）はハードル高いので、高校の先生や活動に協力してる地域の大学の先生が手助けする必要がある部分だと思う。 twitter.com/apj/status/166…

男子 @dannna_o

うーん。　湯船に入れた水が青く見えるのはスケールと多重反射の問題だと思うけど。 潜って水面を見上げると青く見えるのは「長波長光を吸収されるから」であってるけど twitter.com/apj/status/166…

闇のapj @apj

（１）この問いは実は科学としてめちゃくちゃ奥が深い。水は「ほぼ」透明なだけであって、わずかに赤色を吸収する。だからたくさん集めてくると青く見える。白い湯船に入れた水が青っぽいのは赤色を吸収するから。可視光の赤色を吸収するのは水のOH伸縮振動の倍音結合音が赤色のところにくるから。 twitter.com/cicada3301_kig…

2023-06-04 11:28:39

男子 @dannna_o

長波長光が減衰すると云うよりも散乱された短波長光が副経路で目にはいるから？

闇のapj @apj

多重反射の影響もあるかな。観測に必要な水の厚みは1mとかなんで。2mほどあるとまあはっきり分かる程度には青く見えたはず。 twitter.com/dannna_o/statu…

始祖鳥◆飛行機乗り @shisochou

引用ツイートの例は等価の比較ではないですね。多分このツイート者は気づいてないけど、「水がちょうど0℃で凍結し、100℃で沸騰するのか」に相当する問いは「なぜ可視光線は目に見えるのか」だよね。 twitter.com/cicada3301_kig…

すきえんてぃあ@書け @cicada3301_kig

「水はなぜちょうど0度で凍ってちょうど100度で沸騰するのか(そのように定義されているから)」は愚問として扱われるのに「水はなぜ透明なのか(吸収されない波長域で生命が進化しなければ目が機能しない)」は良い問題提起として扱われるの、人類の平均的思考力がこのあたりと示されてるようで興味深い

2023-06-04 10:29:49

串田個人の感想です @oryzae1080

リザードマンに「ヒトってたまに肌を単色の《XXX》に塗ってるじゃん。あれは文化的にどういう意味？　なんで夏になると増えるの？」と質問され いろいろ調べた結果 「紫外線吸収剤入りの日焼け止めを塗っている人」のことだと判明する回 （リザードマンは紫外線の一部が見えるため色がついて見える）

串田個人の感想です @oryzae1080

《XXX》はリザードマンの光の四原色の一つで、300～330nmの波長をもっている。これは「UV-A」の波長とだいたい同じ範囲なのだ。 なお、リザードマンも300nmより波長が短い紫外線は見えないため、彼らの言語にも「紫外線」に相当する言葉があり、初心者は混乱するやつ。

串田個人の感想です @oryzae1080

いろんなタイプの人型知的生物がいる世界だと「可視光」って言葉の指す範囲は変わるし、とうぜん人間の言葉に訳した時の「紫外線」の「外」が示す範囲も変わる。

串田個人の感想です @oryzae1080

鳥人も紫外線が見えるけど雌雄の見分けとかに使ってるので鳥人の友人は「やっぱあれ婚姻色じゃないんだ……ヒトの性周期って月単位なのに、なんで夏になると《△△△》色になってるんだろうって、疑問に思ってたんだよな」と納得していたりする

串田個人の感想です @oryzae1080

獣人がいる世界、3色型色覚の方がマイノリティなので、多分標識とか紋章とかは2色型色覚を前提とした配色になる。 あるいは地模様や形を使った、そもそも色に寄らない見分け方のカラーユニバーサルデザインかも。