You're on a rock, floating in space, surrounded by more rocks, and gas, and a bunch of nothing, mainly.

あなたは岩の上にいて、宇宙空間に浮かんでいて、さらに岩やガスや何もないものに囲まれている。

Oh hey, look at that!

おい、見ろよ！

The rocks are going around the gas!

岩はガスの周りを回っている！

Hold on.

ちょっと待ってくれ。

What the heck is going on here?

いったい何が起こっているんだ？

To understand, let's look at a little bit of physics.

それを理解するために、少し物理学を見てみよう。

Wait, did I say a little bit?

待って、少しって言った？

To find out what kind of magic this is, we'll have to go back in time.

これがどんなマジックなのかを知るには、過去に遡る必要がある。

Okay, not that far.

それほど遠くないよ。

Stop!

止まれ！

Yeah, that's perfect.

ああ、完璧だ。

This is Gravity Guy, but most people call him Isaac Newton.

これはグラビティ・ガイだが、たいていの人はアイザック・ニュートンと呼ぶ。

One important thing he said is that force equals mass times acceleration.

彼が言った重要なことのひとつは、力は質量に加速度をかけたものに等しいということだ。

Now, what do all these words even mean?

さて、これらの言葉は何を意味するのだろうか？

Force is a push or pull on something in a certain direction.

力とは、何かをある方向に押す、あるいは引くことである。

Mass tells you how much of something there is, and it's also a measure of inertia, but we'll get to that later.

質量は、何かがどれだけの量あるかを示すものであり、慣性の尺度でもあるが、これについては後述する。

And acceleration is the derivative of velocity with respect to time, but that's too many big words for my taste, so let's just say it's how fast your velocity is changing.

加速度とは、時間に対する速度の微分であるが、私の好みからすると大げさな言葉が多すぎる。

The key takeaway is that if you apply force to a fixed mass, you get a predictable amount of acceleration.

重要なのは、固定された質量に力を加えると、予測可能な加速度が得られるということだ。

If you know all the forces acting on a basketball midair, you can predict with 100% certainty if the ball will go in the hoop or your neighbor's windshield.

空中でバスケットボールに作用する力をすべて知っていれば、ボールがフープに入るか、隣の家のフロントガラスに入るかを100％確実に予測できる。

Whoa!

おっと！

Did an apple just fall on my head?

私の頭の上にリンゴが落ちたの？

Yes, Newton, it did.

そうだよ、ニュートン。

Yep, that must have happened for a reason, said Newton, as he discovered that two masses attract one another, making the apple fall.

ニュートンは、2つの質量が互いに引き合うことでリンゴが落ちることを発見したのだ。

Yes, even you, no matter how ugly you think you are, attract pretty much the whole universe, at least a little bit.

そう、あなただって、あなたがどんなに醜いと思っていても、少なくとも少しは全宇宙を引き寄せているのだ。

Hey, can you put that on paper?

ねえ、紙に書いてくれる？

Yep, said Newton, who gave us the law of universal gravitation.

そう、万有引力の法則を生み出したニュートンは言った。

In other words, how much do bodies pull on each other given their mass and distance times a constant?

言い換えれば、質量と距離に定数を掛けた場合、物体は互いにどれだけ引っ張り合うのだろうか？

Bigger mass, bigger pull.

質量が大きければ、引きも大きい。

Bigger distance, smaller pull.

距離は大きく、引きは小さい。

Actually, a lot smaller pull.

実際には、もっと小さい引きだ。

You see, as the distance increases, the force gets smaller by the square.

ほら、距離が長くなればなるほど、力は二乗で小さくなる。

That, my friends, is the inverse square law.

これが逆二乗の法則だ。

Gravity is also the reason why planets in our solar system orbit the sun.

重力はまた、太陽系の惑星が太陽の周りを回る理由でもある。

They got their initial velocity when the solar system formed out of spinning gas, and since there's nothing in space to stop them from moving, they'll keep moving.

太陽系が回転するガスから形成されたときに初速を得たのであり、宇宙空間には動きを止めるものは何もないのだから、動き続けるだろう。

Hey, that's Newton's first law.

ニュートンの第一法則だ。

The sun is so massive that the force of gravity keeps pulling the planets towards the sun, but the planets are fast enough to essentially fall towards the sun but miss it, and this goes on forever, creating a round orbit.

太陽は非常に巨大なので、重力の力で惑星は太陽の方に引っ張られ続けるが、惑星は十分な速度があるので、本質的には太陽に向かって落下するが、太陽から外れてしまう。

Actually, that's kind of a lie.

実は、それはちょっと嘘なんだ。

Most orbits are not perfectly round, but more egg-shaped, and Pluto's orbit is just a complete mess, but you get the idea.

ほとんどの軌道は完全な円形ではなく、もっと卵型をしている。

In this case, the gravity is what we call a centripetal force.

この場合、重力はいわゆる求心力である。

One thing many people confuse is mass and weight, and no, they're not the same.

多くの人が混同していることのひとつに、質量と重量がある。

Mass tells you how much of this blob there is, and weight is the force of gravity the blob would feel.

質量はこの塊の大きさを表し、重さは塊が感じる重力の強さを表す。

To make things clear, your mass would be the same on the Earth and on the Moon, but the weight you would perceive is different because the Moon has a weaker gravitational pull, meaning a weaker force acting on your mass.

はっきりさせておきたいのは、あなたの質量は地球上でも月でも同じだが、月の方が引力が弱いため、あなたの質量に作用する力が弱いので、あなたが感じる重さは異なるということだ。

So, really, you're not overweight, you're just on the wrong planet.

つまり、あなたは太っているのではなく、地球を間違えているだけなのだ。

All right, enough about Newton, let's break some stuff.

さて、ニュートンの話はこれくらいにして、いくつか壊してみよう。

If you ever dropped your phone, it might look like this.

携帯電話を落としたら、こんなふうになるかもしれない。

What the hell, ground?

一体何なんだ、グラウンド？

Why'd you do that?

なぜそんなことを？

The answer is energy, you know, the thing kids have after eating gummy bears.

答えはエネルギー、ほら、グミを食べた後の子供のエネルギーだよ。

Energy has the unit joule, and it's not like force, it doesn't have a direction, it's just a number that's kinda chill in there, as a property of a thing.

エネルギーにはジュールという単位があり、力とは違って方向性がない。

You see, there's two main kinds of energy, kinetic energy and potential energy.

エネルギーには運動エネルギーと位置エネルギーの2種類がある。

In plain English, energy of movement and stored energy due to some circumstance.

平たく言えば、移動のエネルギーと、何らかの状況によって蓄積されたエネルギーのことである。

For example, when you held your phone, it stored gravitational potential energy due to being held above the ground at a certain height.

例えば、あなたが携帯電話を持っているとき、それはある高さで地面より上に保持されているため、重力位置エネルギーを蓄えている。

Once you dropped it, that potential energy was converted into kinetic energy as the phone fell.

携帯電話を落とすと、その位置エネルギーは携帯電話が落下する際の運動エネルギーに変換される。

Then it smashed into the ground, and the phone absorbed some of the energy, making the screen go BOOM.

そして地面に激突し、携帯電話がそのエネルギーを吸収して画面がブーンという音を立てた。

Work is defined as force applied over distance.

仕事とは、距離にわたって加えられる力として定義される。

For example, if you lift an apple by 1 meter, you would have done about 1 joule of work.

例えば、リンゴを1メートル持ち上げると、約1ジュールの仕事をしたことになる。

This happened by converting chemical energy stored in your body to gravitational potential energy stored in the apple.

これは、あなたの体に蓄積された化学エネルギーを、リンゴに蓄積された重力位置エネルギーに変換することで起こった。

As you may have noticed, energy and work have the same unit joule.

お気づきかもしれないが、エネルギーと仕事の単位は同じジュールである。

So, they must be the same thing?

では、この2つは同じものなのだろうか？

Uh, no, energy is the total amount of work that a thing could possibly do, and work is just the stuff that actually happened and required energy.

いや、エネルギーとは、ある物事がなしうる仕事の総量であり、仕事とは、実際に起こってエネルギーを必要としたことだ。

If you try to lift a weight that's too heavy for you, you'd feel like that took a bunch of work, right?

自分にとって重すぎる重量を持ち上げようとしたら、相当な労力が必要だと感じるだろう？

Well, yes, but your feelings are invalid in the face of physics.

まあ、そうだが、物理学の前では君の感情は無効だ。

Mathematically, no work has been done, because work is force applied over distance, and since you didn't move the weight at all, no distance means no work.

数学的には、仕事は距離に対して加えられる力であり、重りをまったく動かしていないのだから、距離がないことは仕事がないことを意味する。

The key thing to remember about energy is that it cannot be created or destroyed, only converted.

エネルギーについて覚えておくべき重要なことは、エネルギーは創造することも破壊することもできず、ただ変換されるだけだということだ。

AKA, the conservation of energy.

別名、エネルギー保存。

Okay, but a car that's moving has kinetic energy.

でも、動いている車には運動エネルギーがある。

When the car stops, assuming the car doesn't smash into a wall, where does that energy go?

車が止まるとき、車が壁に激突しないとして、そのエネルギーはどこに行くのか？

When you apply the brakes, there's friction between the brakes and the wheels, causing the car to slow down, and creating heat as a byproduct.

ブレーキをかけると、ブレーキと車輪の間に摩擦が生じ、車が減速し、副産物として熱が発生する。

That heat is then dissipated into the surrounding air, and that makes the molecules in the air move faster.

その熱は周囲の空気に放散され、空気中の分子の動きを速くする。

Things that move have kinetic energy, so ultimately, the kinetic energy is transferred from the car to the air.

動くものには運動エネルギーがあるので、最終的に運動エネルギーは車から空気に伝わる。

With this knowledge, we can define that temperature is just the average kinetic energy of atoms in a system.

この知識があれば、温度はある系における原子の平均運動エネルギーに過ぎないと定義できる。

You see, all atoms, not just molecules in the air, wiggle.

ほら、空気中の分子だけでなく、すべての原子はくねくね動いている。

Like this.

こんな感じだ。

The faster they move, the hotter things get.

速く動けば動くほど、物事は熱くなる。

That is temperature.

それが温度だ。

All that talk about hot stuff, I think it's time we talk about thermodynamics.

熱い話ばかりしているが、そろそろ熱力学の話をしようじゃないか。

It tells us that jumping in lava is probably a bad idea, but more importantly, the absolute mess that is entropy.

溶岩に飛び込むのは悪い考えかもしれないが、それ以上に重要なのは、エントロピーという絶対的な混乱があるということだ。

Literally, it tells you how much disorder there is in a system, indicating the number of possible states a system could be in.

文字どおり、システムにどれだけの無秩序があるかを示すもので、システムが取りうる状態の数を示している。

For example, get an ice cube.

例えば、角氷を用意する。

No, not that one.

いや、それじゃない。

Yeah, that's perfect.

ああ、完璧だ。

And put it in the sun.

そして太陽の下に置く。

The sun will obliterate the ice cube and turn it into water.

太陽は角氷を消し去り、水に変える。

Looking at the structure of ice and water, we can see that ice is more neatly organized than water, which just kind of goes all over the place.

氷と水の構造を見てみると、氷は水よりもきれいにまとまっている。

Also, the water could look like this, or this, or even this, but the ice will always look a little something like this.

また、水はこのように見えたり、このように見えたり、あるいはこのように見えたりするが、氷は常にこのように少し見える。

In total, the system went from low entropy to high entropy, meaning more disorder and more possible microstates.

全体として、システムは低エントロピーから高エントロピーへと変化し、より無秩序で、より多くの可能なミクロ状態を意味する。

This trend applies to everything.

この傾向は何にでも当てはまる。

The whole universe is on an unstoppable path to higher entropy.

宇宙全体が、より高いエントロピーへの止むに止まれぬ道を歩んでいるのだ。

It's also the reason why time seems to only go forwards.

それはまた、時間が前にしか進まないように見える理由でもある。

Practically, entropy tells us that some forms of energy are more useful for doing work than others.

実際、エントロピーは、あるエネルギー形態が他の形態よりも仕事をするのに有用であることを教えてくれる。

Burn some gasoline and your car will move, spitting out heat and gas.

ガソリンを燃やせば、車は熱とガスを吐き出しながら動く。

That heat and gas is pretty much gasoline, just in the form of higher entropy.

その熱とガスは、エントロピーが高くなっただけで、ほとんどガソリンだ。

And as you can imagine, this stuff won't really make your car move, and the gas won't spontaneously turn back into liquid gasoline, meaning the form of gasoline with lower entropy is more useful for doing work.

ご想像の通り、このようなものでは車を動かすことはできないし、ガスが自然に液体のガソリンに戻ることもない。

Okay, but if you put some water in the freezer, will it not decrease in entropy?

では、水を冷凍庫に入れてもエントロピーは減らないのですか？

Yes, but the fridge is not an isolated system and will heat up the room more than it will cool down the water, increasing the total entropy.

そうだが、冷蔵庫は孤立したシステムではないので、水を冷やす以上に部屋を暖め、全体のエントロピーを増大させる。

Wanna see some magic?

マジックを見たい？

Whoa, what just happened?

どうしたんだ？

Some electrons apparently moved through some wires and let there be light.

いくつかの電子がワイヤーを伝って移動し、光となったようだ。

What is going on here?

どうなっているんだ？

Objects have a fancy something called a charge.

物体には電荷と呼ばれる派手なものがある。

It can be positive or negative, or if you have the same amount of both, an object is neutral.

プラスにもマイナスにもなり得るし、両方が同じ量であれば、物体は中立である。

Electrons have a single negative charge.

電子は1つの負電荷を持っている。

The flow of electrons is called electric current.

電子の流れは電流と呼ばれる。

To describe it, we use three parameters.

それを説明するために、3つのパラメーターを使う。

Current, voltage, and resistance.

電流、電圧、抵抗。

Current is the amount of electrons passing through a wire in a given amount of time.

電流とは、一定時間内に電線を通過する電子の量である。

Voltage is what pushes the electrons to move, but simply put, it's a difference in electric potential, so you can imagine it as a slope that goes from high potential to low potential, where the flow of current goes downhill.

電圧とは、電子の動きを後押しするものだが、簡単に言えば電位差のことで、電流の流れが下り坂になる高電位から低電位に向かう坂道をイメージしてもらえばいい。

And resistance is pretty self-explanatory.

そして、抵抗はとても分かりやすい。

This is Coulomb's law.

これがクーロンの法則である。

Wait a minute, this is just Newton's law of gravitation in disguise!

ちょっと待ってくれ、これはニュートンの引力の法則を偽装しているだけだ！

This tells us that electric charges attract each other in a similar way masses do.

これは、電荷が質量と同じように互いに引き合うことを物語っている。

Opposites want to cuddle, while like charges literally couldn't think of a more disgusting thing than to be with one another.

正反対の者同士が寄り添いたいと思いながら、文字通り、互いに一緒にいること以上に嫌なことはないと思っている。

These four equations explain pretty much all of electromagnetism, but don't be scared just because they look scary.

この4つの方程式は電磁気学のほとんどすべてを説明しているが、見た目が怖いからといって怖がらないでほしい。

I mean, yeah, they do, but it's simpler than it seems at first.

そうなんだけど、見た目より簡単なんだ。

The first one states that if there is an electric charge, there will be an electric field, or this big E, emerging from it.

最初のものは、電荷があればそこから電場、つまりこの大きなEが発生するというものである。

Add another, and you have an electrostatic field.

さらにもうひとつ加えれば、静電場ができる。

These lines tell us in which direction a charged particle would feel a force at any given point.

これらの線は、荷電粒子がどの地点でどの方向に力を感じるかを教えてくれる。

The second one tells us the same for magnetic fields, and even though electric charges are cool and can be alone, magnetic poles are not.

電荷はクールで単独で存在することができるが、磁極はそうではない。

They're very lonely, and there will always be a north pole together with a south pole, and a single pole can never be alone.

彼らはとても孤独で、常に北極と南極が一緒に存在する。

Okay, now here's where things get kinda freaky.

さて、ここからがちょっと異常なんだ。

You know how electric charges only act on other charges, and magnets only affect other magnets?

電荷は他の電荷にしか作用しないし、磁石は他の磁石にしか作用しない。

Well, that's only true if they're not moving.

まあ、それは彼らが動いていなければの話だけどね。

The third and fourth Maxwell equations tell us that a moving magnet creates an electric field, and a moving charge or electric field creates a magnetic field.

第3と第4のマクスウェル方程式は、動く磁石が電界を作り、動く電荷や電界が磁界を作ることを教えてくれる。

One consequence of this is that current can seemingly come out of nowhere, by moving a magnet next to a conductor.

この結果のひとつは、磁石を導体の隣に移動させることで、電流がどこからともなく出てくるように見えることである。

The moving magnet creates an electric field, which makes the electrons inside the conductor go crazy.

動く磁石が電界を作り出し、導体内部の電子を狂わせる。

That is called induction.

それが帰納法と呼ばれるものだ。

In other words, electric and magnetic fields are so tightly linked that they are two parts of the same bigger thing.

言い換えれば、電界と磁界は密接に結びついており、同じ大きなものの2つの部分なのだ。

Let's say we have a charge.

チャージがあるとしよう。

Since it doesn't move, it has a static electric field.

動かないので静電場がある。

If we accelerate the charge, there will be a magnetic field around it.

電荷を加速すれば、その周囲に磁場ができる。

That magnetic field interacts with the electric field, which again changes the magnetic field, and this is a sort of chain reaction that makes the electromagnetic field radiate outwards into space as an electromagnetic wave.

その磁場が電場と相互作用し、それがまた磁場を変化させ、これが一種の連鎖反応となって、電磁場が電磁波として宇宙空間に放射される。

Depending on the frequency, the human eye can actually see this.

周波数にもよるが、人間の目はこれを実際に見ることができる。

It's called light, but most of the spectrum is invisible to the human eye, and is used for things such as Bluetooth, wireless charging, and confusing human apes into thinking magic is real.

光と呼ばれているが、スペクトルのほとんどは人間の目には見えず、ブルートゥースやワイヤレス充電、類人猿に魔法が実在すると錯覚させることなどに使われている。

Hey, can we go back to the water and look at those molecules?

ねえ、水に戻って分子を見てみない？

Yeah, those.

そう、あれだ。

What are they made of?

彼らは何でできているのか？

The molecules are made of atoms.

分子は原子からできている。

Atoms are made of a core and some electrons.

原子は核と電子でできている。

The core is made of protons and neutrons, both of which are made of quarks.

コアは陽子と中性子でできており、どちらもクォークでできている。

They're strange yet charming from up top down to the bottom.

上から下まで、奇妙だが魅力的だ。

Oh yeah, there's some more stuff, like for example the overweight brothers of the electron.

そうそう、他にもいろいろあるんだ。例えば、電子の太りすぎの兄弟とかね。

All of this together makes up the standard model, which we believe to be the smallest things in the universe.

これらすべてを合わせたものが標準模型であり、宇宙で最も小さいものだと私たちは考えている。

At least that's the excuse we have for not knowing what quarks are made of.

少なくとも、それがクォークが何でできているのかわからない言い訳だ。

Fun fact!

楽しい事実だ！

Depending on the number of protons in the core, you get different elements.

コアに含まれる陽子の数によって、さまざまな元素ができる。

Depending on the number of neutrons in the core, you get different isotopes of the same element, most of which are a little overweight and very unstable, so they fall apart into smaller atoms.

コアに含まれる中性子の数によって、同じ元素でもさまざまな同位体が得られるが、そのほとんどは少し太りすぎで非常に不安定なため、バラバラになって小さな原子になる。

That releases ionizing radiation.

電離放射線を放出する。

Not so fun fact, that stuff will kill you.

あまり楽しくない事実だが、あれは死ぬぞ。

If you have a large group of atoms, you can predict when half of those will have fallen apart.

大きな原子集団があれば、その半分がいつバラバラになるか予測できる。

That's the half-life.

それが半減期だ。

Depending on how unstable an isotope is, it will survive a certain amount of time.

同位体がどの程度不安定かにもよるが、ある一定の時間は生き延びることができる。

Some don't want to live, some really don't want to live, but some will live far longer than you probably will.

ある者は生きたがらないし、ある者は本当に生きたがらないが、ある者はおそらくあなたよりはるかに長生きするだろう。

Oh yeah, did I mention that light is like the fastest thing in the universe?

そうそう、光は宇宙で一番速いものだって言ったっけ？

To be exact, 299,792,458 meters per second in a vacuum.

正確には、真空中で秒速299,792,458メートル。

That is pretty fast, said everyone.

かなり速いね、とみんな言っていた。

Also, light is a wave, said everyone.

また、光は波だと誰もが言った。

Why?

なぜですか？

If you shoot it through two teeny tiny slits, it creates a fancy pattern due to interference, which is just a wave thing.

それを2つの小さなスリットから射出すると、干渉によって派手なパターンができる。

You see, when two waves cross, they can add up or cancel each other out.

ほら、2つの波が交差すると、足し算になったり、打ち消し合ったりする。

These gaps are the spots where they cancel each other out.

この隙間は、互いが打ち消し合う部分だ。

So in this case, light behaves like a wave.

つまり、この場合、光は波のように振る舞う。

Nah, screw that!

いや、もういい！

Everything you know is wrong, said Albert Einstein, probably smoking crack after hearing about the photoelectric effect and discovering that light comes in tiny packets called photons.

アルベルト・アインシュタインは、光電効果について聞き、光が光子と呼ばれる小さなパケットになっていることを発見した後、おそらくクラックを吸っていたのだろう。

I sure hope that doesn't unravel a whole new area of physics!

それが物理学の新たな領域を解き明かすことにならなければいいのだが......！

Anyway, he said, as he continued to casually drop an absolute bomb on the entire field of physics with his theory of relativity.

とにかく、彼は相対性理論という物理学の全分野に絶対的な爆弾をさりげなく投下し続けながら言った。

He assumed the speed of light is constant because it arises from two other constants.

彼は、光速は他の2つの定数から生じるので一定であると仮定した。

He also assumed the laws of physics are the same for everyone, regardless if moving or at rest.

彼はまた、物理法則は動いていようと静止していようと、誰にとっても同じだと考えていた。

Now think about it, if two people turn on a flashlight, but one person is standing still while the other person is on a moving train, wouldn't the person standing still see the other person's light as going faster than the speed of light?

考えてみてほしい。二人の人間が懐中電灯を点けているとき、一人は立ち止まっていて、もう一人は動いている列車に乗っているとしたら、立ち止まっている人間にはもう一人の光が光速よりも速く進んでいるように見えるのではないだろうか？

The reality is, no, it would be the same as their own flashlight.

現実は、いや、自分たちの懐中電灯と同じだろう。

That's impossible, except if time passes slower for that person from the perspective of this person.

この人から見て、その人の時間の流れが遅ければ別だが、そんなことはあり得ない。

In other words, if the speed of light is constant, time must be relative.