2014年01月20日

複雑系のオンライン講義1 @サンタフェ研究所


サンタフェ研究所の Complex Explorer プロジェクトの1つで、
複雑系サイエンスの無料オンラインコースを受講してみました。

Introduction to Complexity (Fall, 2013)
シラバス
 1. 複雑系とは何か?
 2. 力学系とカオス
 3. フラクタル
 4. 情報、秩序、ランダム性
 5. 遺伝的アルゴリズム
 6. セル・オートマトン
 7. 生物系の自己組織化モデル
 8. 社会システムの協調性モデル
 9. ネットワーク
 10. 生物学と社会学におけるスケーリング
 11. まとめとサンタフェ研究所の紹介



シラバスを見てわかるように、複雑系の基本を簡単な数学のみ
を使って(一番難してくても対数)紹介するコースです。
カオスやフラクタルなどはかなり有名な複雑系の分野で
この2章だけでも複雑系を垣間みることができます。


また、このコースではnetlogoという独自の
シミュレーションプログラムを使って、
複雑系の現象を目で見ることができます。
たとえば「セル・オートマトン」では以下のような
Game of Life のシミュレーションを実行することができます。
これで遊ぶだけでもかなり面白い!

Screen Shot 2014-01-20 at 9.55.11.png

他にもいろんなシミュレーションプログラムが
用意されていて、コースで学んだ現象を実際にパラメータを
変えながら実験することができて、遊びながら
複雑系を勉強することができます。

この先も、いろいろなコースが
続くようなので楽しみです。

posted by 色人 at 00:48| 北海道 ☔| Comment(26) | TrackBack(0) | 研究 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

2013年11月21日

ランダムな実数を定義する


メタマス(Meta Math)
The Quest for Omega(グレゴリーチャイティン)
P9261109.JPG

理性の限界 ―不可能性・不確定性・不完全性―
という本で、はじめて出会った「Ω数」
どこかで詳しく知れたらいいなあと思ってたところ、
どこかのブログでこのΩ数のアイディアを説明している「メタマス」
という本を紹介していて、アマゾンで即買いしちゃいました。

このΩ数は「アルゴリズム的情報理論」という枠組みの中に含まれている。
このアイディアの根底には、実数の連続性とランダム性があり、
Ω数は、数学的に定義されて(けどランダムなので計算できない)
ランダムな実数の具体例になっているのです。

このΩ数は、ゲーデルの不完全性定理(自然数を含む数論)や、
チューリングの停止問題(より一般的な不完全性)にも関係していて、
あまり深く関わると抜け出せなくなりそうで、恐ろしいですが
ちょっと覗いてみたい方にはオススメです。
基本アイディアを紹介している本なので。
ポイントは、プログラムのサイズをビットで測るということ。
既約性とランダム性。

この本のアイディアをより詳細に紹介しているPDFを見つけたので
こちら
読んだ後にこれで証明を追っていくのもいいかも。


チャイティンのΩ数(停止確率)
以下のように定義される実数:
 自己限定的なプログラムすべての集合を考える。
 この集合の要素を一つ取り出してチューリングマシンで計算させた時、
 このプログラムが停止する確率。


上のPDFでは、特別な(prefix free & optimal )2進数集合の
要素pに対する、2-|p|の和として定義される。


ランダム性
ここで扱ってる「ランダム」とは、ある実数の任意の接頭数(先頭からの何桁か)が
定数分だけしか「圧縮」できない、ということを意味している。
圧縮とは、ある写像 M: {prefix free 2進数集合} -> {prefix free 2進数集合}
を考えたときに、あるsに対して
M(p) = s (s, t∈{2進数集合})となるpがあって、
|p| < |s| となることをいう。(ちょっとはしょってるけど)

実数
実数の個数は(無限個だけど)、自然数(1,2,3,…)の個数よりも遥かに大きい。
(偶数(2,4,6,…)、奇数(1,3,5,…)、整数(…,-2,-1,0,1,2,…)、
 有理数(1/1, 1/2, 1/3,…, 2/1, 2/2, …, 3/1, 3/2,…)は自然数と
 1対1対応できるので個数としては同じ)
この実数の連続性(とびとびの自然数集合とは異なり、
数直線のどこを取っても実数になる)から、
実数を1つ取った場合に確率1で完全にランダムになる。
つまり、大きく圧縮できず、各桁を計算することもできない。
(無限集合のために確率1。
 実際にはもちろん自然数や有理数も存在はしている。)

どんな実数を取ってきても無限の精度でランダムとなり、
しかも与えられた公理の範囲内では、有限のビットしか計算できない。
チャイティンのΩ数は、このはっきりとつかむことのできないランダムな
実数を、数学的に明確に示しているところが驚くべきところだと思う。



他に興味深いこと

・デジタル物理学
  自然は確率1でランダムな実数でできているのではなく、
  0と1のようにデジタルな数学的構造からできているという考え。
  物理において、超短い距離ではいろいろな物理量が発散(∞)することが
  この事実を示している(のかもしれない)。
・再帰理論の基本的な定理
  集合Tが帰納的可算集合 ⇔ Tの要素を生成していくアルゴリズムAが存在する
・無限集合
  集合の真部分集合が、もとの集合と同じ要素数となるものが無限集合
・連続体仮説(の不完全性的な事実)
  自然数の無限(可算無限)と実数の無限(連続無限)に
  関する話は限りなく興味深い。この2つの無限個数の間の大きさ(濃度)の
  無限集合はあってもなくても他の定理や公理に影響はない。
 
   ※無限についてわかりやすい解説 右矢印1 無限を最短で紹介するよ
  



この本、アイディアと内容は面白いんだけど、
この著者はなかなか独特で…
微分積分に関して、ライプニッツをたてて
完全にニュートンを悪者にしていたり、
ちょっと読んでてどうなんだろってところもあった。
他にも「私の証明」「子供のころゲーデルの証明を読んで」「私のΩ数」
など自慢げな表現が多くて、なんか自分に酔ってる感じの文章があったり。
あと、ちょっと気持ち悪い表現もいくつか…

 あなたも永遠という岩に痕跡を残すことができるかもしれないのだ!
 理解という最後のオルガスムの前の長々しい前戯のようなものなのだ!
 (素数が無限にあるというオイラーの証明に対するコメント)







それでも内容的にはすばらしいのでその辺はスルーしましたが…
著者はこの本を通して、数学は公理と定理からなる論理的で静的で
非人間的で完璧で不変なものではないということを主張している。
むしろ物理学に近く、さまざまな(思考)実験を通して、
次々に新しいアイディアや概念が取り入れられていき、
成長していく哲学そのものであると。

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
<目次>
 1.最初に
 2.3つの奇妙な愛:素数/ゲーデル/LISP
 3.デジタル情報:DNA/ソフトウェア/ライプニッツ
 4.間奏曲
 5.連続性の迷路
 6.計算量、ランダム性、不完全性
 7.むすび



参考
 WIKI
 [ランダム]チャイティンのオメガとランダム性
 Omega and why maths has no TOEs
 オメガ数
 アルゴリズム的情報理論入門


posted by 色人 at 00:48| 北海道 ☔| Comment(1) | TrackBack(0) | 研究 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

2013年08月21日

生物の自己組織化


Self-Organization in Biological Systems

前に買った本を読み返したので、そのメモ。


自己組織化:系を構成する要素間の相互作用によって
      系全体にパターンが創発されるプロセス
 その動力源は、Positive & Negative Feedback
  負のフィードバック:摂動の抑制
  正のフィードバック:ゆらぎの増大
 局所的な情報によるシンプルなルールのみで複雑なパターンを形成する

パターンとは、砂丘の波模様、BZ反応、ベナール対流、蜂の巣の六角形、
アリや蜂の集団行動、魚の群れの行動、動物や魚の縞模様
など。

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シンプルなルールとは例えば:
 I signal when you signal(君が合図する時に僕もする)
 I do what you do(君がすることを僕もする)
 I go where you go(君が行くところに僕も行く)
 I nest where others nest, unless the area is overcrowded
 (他が巣を作っているところに僕も作る、そこが混んでいなければ)


どれも人間にも当てはまるね。 

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Decenterlized System
 局所的な情報に依存しているということは、
 現象の牽引現象や集団のリーダーような存在はないということ。

Stigmergy
 個体が共有している環境を媒介にした個体間の相互作用。
(人間社会だと、特定のアフォーダンスを持つモノを作ることで、
 そのモノを介して、ある意思を伝える事ができるのか?)
これはシステム開発のある特性を表す言葉でもある。
右矢印1
Ant Colony Optimization(創発とStigmergy)
Stigmergyという協調作業の形態
http://stigmergic.net/stigmergic_web/Stigmergy.html

研究方法:観測や実験
     モデル(微分方程式、モンテカルロ法、セルオートマトン)

微分方程式は線形の範囲だと、特に平衡状態を調べやすい。
セルオートマトンの「単純な法則から複雑なパターンを生み出す」
的な感じは本当にすごい。
右矢印1
セルオートマトン


注意:どんな多くのパターンを説明できて、魅力的でも
自己組織化は自然選択の進化法則の替わりにはならない。

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Related Reference
A Simulation Model for Coral Reef Formation: Reef Topographies and Growth Patterns Responding to Relative Sea-Level Histories


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2013年07月14日

情報×コンピュテーションでヒューマンネットワークを理解する


プレプリントで見つけた論文、数式もないので
簡単そうだったので読んでみました。

Information and Computation (Carlos Gershenson)
http://arxiv.org/pdf/1304.1428.pdf




モバイル技術による個人のログの蓄積、
センシングによる非人間情報の蓄積と、
サーバサイドの容量増加と処理能力の向上によって、
現在ではこれまでにないほどの情報が蓄えられつつある。
特にそれらの中には、人間活動の結果生じた、経済や歴史、
コミュニケーションの結果であるものもたくさんある。

これらの「人間関係から生まれた情報」は、
『情報』『コンピューテション』という(昔からある)概念で
その性質が明らかにされてきている。特にソーシャルネットワークの世界で。
本論文は、その入門のほんの入り口をかいつまんでレビューしたものです。


『情報』とは、「シャノンの情報理論」をもとにしており、
統計力学のエントロピーと同じ意味を与える次の式で表現される。(平均情報量)
 H = - Σ P(x) log P(x)
P(x)は値xの確率密度関数である。
この確率で持って、ある時間ステップごとに0か1の値が得られるとすると、
P(0)=0, P(1)=1 の時、次に得られる情報は1とわかりきっているので、
情報量としては小さい。(H=0)
P(0)=P(1)=0.5 の時、次に来る値は、完全に確率的なので、
情報量としては大きい。(H=1)

『コンピュテーション』とは、いろいろな定義が可能だけど、この論文では、
プログラム(アルゴリズム)によって情報が変化していくプロセスと定義する。
(チューリングマシンも同じような概念を扱えるが計算しにくい)
ある情報が、なんらかのアルゴリズムによって異なる情報に変換され、
それが伝播して次々に計算が進んでいき、全体としてある結果を与えることになる。
(そして、この「全体」はなんらかの「関数」としての機能を持つことになる)

プログラムによるコンピューテションで情報が変化する仕方には、
以下の4つのパターンがある。(複雑系理論)

 静的: 結晶、全エネルギー、全運動量のように全体が変化しない
 周期的:単振動、惑星の運動のように周期的に同じことが観測される
 カオス:天気、カオス力学系のように初期条件によって結果が全く異なる
 臨界: 森林、生物のように強固さとバランスを持った臨界状態である

情報の変化をコンピューテションという枠組みで捉えれば、
人間活動の結果生じるものもすべて、
コンピュテーションの一つと見なすことができる。
人間を一つのノードとすれば、人間関係はノードを結ぶ線で表され、
人間関係全体はネットワークとして表現されることになる。
このネットワークの考え方は、コンピュータネットワークと呼ばれている。
このヒューマンネットワークの中では、個人が持つ情報(Hi)や
コミュニケーションの結果生じる共有情報(Hij)が、
人間関係によって決まるアルゴリズムによって計算されて、
情報の伝播が続くことになる。
結果として全体としてのある機能(性質)が見えてくる。

ちなみに、このコンピュータネットワークによる情報のコンピュテーションは
脳内の神経活動を模倣するニューラルネットワークや、
インターネットの通信ネットワーク、生態系の食物連鎖、
生物内の化学反応系などにも応用されている。


ソーシャルネットワークの例では、
コンピュータネットワークの解析により以下のようなことがわかってきている。
(ちなみに、ノードは個人や組織であり、情報はリンクを持つ他者からもたらされる。
 その情報は他のリンク(他の人)と共有され、加工されて他へ渡されていく。
 ノード間を情報伝播するアルゴリズムは、「友達・イイネ」(Facebook)、
「フォロー」(Twitter)を通して得られるため、個々のノードが決定している)

 ・非公式ニュースは政治に支配されたマスメディアに挑戦するように、
  ソーシャルメディアを通してかなりの速度で伝播する。
 ・ウソ情報もとても速く伝播し、間違った考え方を導く。
  さらに、その伝播の仕方は正しい情報の場合とは異なっている。

(Wikipediaの例もあげられているが同じようなものなので省略)
 

Twitter,Google+,Facebook,Lineなどのソーシャルメディアによって
ネット上には人間関係から得られるある構造化された
情報がビッグデータとして存在していて、コンピュータネットワークによる
情報のコンピュテーションを解析することで、それらを
計測し解析することが可能になってきている。

たしかにそういう論文やニュースはよく見かけるし、
企業でもデータサイエンティストと呼ばれる、特に巨大なデータを
企業活動に役立てるための分析をする専門家もいて、
この先も、ずっとホットな話題になるだろうことを予想させる論文でした。
ただ、本当に紹介だけなので、詳細を知りたい場合は、
他の論文に当たるしかないようです。残念。
でも式もないので、ちょっとした読み物としてはいいかも。

読んでいると、いろいろと気になってきますね…
 ・人の心理を(集団としての統計)アルゴリズムに
  どのように組み込むのか?(モデルとして)
 ・ネット上の構造化されたデータはどのようなものか?
 ・それらは、Twitter,FacebookなどSNSの違いにより、
  何がどのように異なるのか?
 ・個々の関係のアルゴリズムや全体の関数はどのようなものか?
 ・ネットを流れるデータをリアルタイムで解析するストリームコンピューティングで
  どのような未来が作れるのか?
 


<関係する論文>
The World as Evolving Information
Self-Organization Promotes the Evolution of Cooperation with Cultural Propagation
Living is information processing: from molecules to to global systems.
Information Measures of Complexity, Emergence, Self-organization, Homeostasis, and Autopoiesis
Measuring Complexity in an Aquatic Ecosystem
Complexity and Information: Measuring Emergence, Self-organization, and Homeostasis at Multiple Scales


<関係しそうな技術サイト>
ITエンジニアのためのデータサイエンティスト養成講座
機械学習 はじめよう
試すのが難しい―機械学習の常識はMahoutで変わる


posted by 色人 at 00:48| 北海道 ☔| Comment(1) | TrackBack(0) | 研究 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

2013年06月08日

表面を伝わる音波でスピン電流が発生!?


将来のスピントロニクス〜電子の電荷をコントロールする
エレクトロニクスに対して、電子のスピン(自転の角運動量のようなもの)
をコントロールする〜に一歩近づく技術、
かもしれない論文が発表されました。
(特別に革新的というわけではなく、大学時代の研究に
 関連していた、というだけですが…)



論文は、こちらのプレプリントから取得できます下矢印1
Mechanical generation of spin current by spin-rotation coupling
Mamoru Matsuo, Jun'ichi Ieda, Kazuya Harii, Eiji Saitoh, Sadamichi Maekawa
http://arxiv.org/pdf/1301.3596.pdf

ちなみに、論文発表前のプレス発表はこちら下矢印1
銅やアルミニウムで磁気の流れを生みだす原理を発見
−レアメタルフリー磁気デバイス開発に道−





金属の表面に沿って伝わる音波(表面音響波)を利用して、
スピン流を発生させる理論的研究です。
スピン流(spin current)」とは、
スピンの向きが揃っている状態が伝播する流れのこと。
電荷が揃って伝播するのを「電流(electric current)」
と呼ぶのに対応している。

これまでは、スピン流を発生させるには、
主にスピン軌道相互作用を利用していた。
※スピン軌道相互作用とは…
原子核(プラスの電荷)の周りを電子が運動している時、
電子自身はスピンを持っているいため、小さい磁石のように振る舞う。
相対的に見ると、この電子の周りをプラス電荷が回転運動しているので、
電子の周りには磁場が発生する。すると、この磁場とスピンが相互作用して
力を及ぼし合う(エネルギーを交換する)。
この磁場は軌道角運動量に依存するため、この関係を
スピン軌道相互作用と呼ぶ。

この研究では、非磁性の物質中で、表面音響波をエネルギー源として
スピン流が発生することを以下のように示している。
 ・時間空間変化する横モードの格子振動があると、
  スピンと格子のスピン回転相互作用が生じる
   相互作用エネルギー:H = -hbar σ /2・grad(∂u/∂t) /2
    hbar*σ/2はスピン角運動量ベクトル、uは格子変位ベクトル
 ・このような格子振動の一例が、表面音響波(Reyleigh波)
 ・スピンの緩和は、スピンの反転とスピン拡散を仮定
 ・スピンの回転は、緩和時間τで特徴づけられる
 ・スピンの拡散は、拡散定数Dで特徴づけられる
 ・スピン流の変化は化学ポテンシャルの差で表される
 ・表面音響波のソースを持つスピンの拡散方程式を解く


得られる結果は次のようなもの。
 ・ωτ>>1 :スピン流 ∝ ω^3
 ・ωτ<<1 :スピン流 ∝ ω^4
  この時、スピン流は、緩和時間に比例する(ωは音波の角周波数)
  つまり、緩和時間が大きいほど(スピン軌道相互作用が弱いほど)
  スピン流は大きくなる
 ・Pt, Al, Cu, Ag, Au, GaAs でスピン流の大きさを比較
  (Cu>Al>Ag>Au>Pt)
 ・g因子の大きな物質を使うとスピン流も大きくなる
 ・スピン(磁性)の存在によって、反射光の偏光が変化する
  カー効果を利用して観測可能


量子的なスピンが、古典的な音波と相互作用するのが
ちょっと不思議に思えるけど、スピンがその粒子の空間的な
性質に依存することを考えると、
ありえない話ではないのかもしれない。
議論自体は、量子論は特に出てこなくて、古典的な
拡散方程式を扱っているだけなので、理解はしやすいですね。
その分、いままでこういう研究がなぜなかったのかと思ってしまう…



抜粋
Image2.bmp

Image3.bmp


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2012年11月04日

福島第一原子力発電所の廃炉等に向けてロボットが活躍


2011年の東北地震後の津波で大きく破壊された
東京電力の福島第一原子力発電所では、廃炉措置等に向けて
さまざまなプロジェクトが並行して動いています。
 http://www.tepco.co.jp/nu/fukushima-np/roadmap/conference-j.html


廃炉等に向けて、大きな障害となっているのがガレキと放射能の存在。
どちらも実際に人が作業するときに大きな制約となり、
2次災害なども引き起こす可能性が高いので、
そのような危険な場所での作業の大きな助けになるのが、
災害現場などで遠隔操作や自動運転できるロボットなのです。

こちらの記事にあるように、これまでに(これからも)
様々な目的でロボットが投入されています。
日本原子力研究開発機構の原子力災害ロボット

人が近くにいない場所でのロボット操作には、
「無人化施工」「遠隔操作」といった最新の技術が必要になってきています。

 建設重機10台を遠隔操作できる「無人化施工システム」を開発
 福島原発の廃炉措置に向け遠隔操作ロボなど技術提案を募集、3月9日まで


すでに、QuincePackbotなどが現場に投入されていて、
これからもきっといろんなロボットが現場に旅立っていくことでしょう。

packbot.JPG

Quince.JPG



まだまだ課題もありますが、福島を中心として
ロボット分野が活性化されているのは間違いないです。

 原子炉災害用ロボットが活躍できないわけ



オマケで、現場で作業している人のブログをどうぞ。
面白いですよ。面白いというと誤解されそうなので、とにかく
読んでみてほしいです。ロボット操作する様子とともに
「現場」にいる人からの生の現実もそこには書かれていますから

「福島第一原子力発電所におけるロボットオペレータの手記」がめちゃめちゃ面白い

  福島第一原子力発電所におけるロボットオペレータの手記 - Warrior編 -
  福島第一原子力発電所におけるロボットオペレータの手記 - PackBot編 -




<参考>
 福島第一原子力発電所の事故から何を学べるか?
 精神論ぬきの電力入門 (澤昭祐)
 東電国有化の罠




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2012年07月03日

AKBの次に入門するWOTAは電車or飛行機


AKB(48グループ)に入門して1年経ったので(記念祝いはまだ)
最近は、次に何のWOTAに入門しようか考えていた。

典型的な電車にすると、毎日使ってるから
楽しそうだし追いやすいなぁと思う。

他は、飛行機かな。もともと興味もあって、
気持ちの高度上げたら宇宙まで行けるしなぁ。





うーん…

よし!!!
飛行機にしよう!!

飛行機のセンター(一番の目玉)のエンジンは熱力学の復習になるし、
派生して電車と自動車に進める可能性も高いので。
(今のところ、どっちも興味0なので)

AKBからSKEとNMBとHKTに派生したように
乗り物グループで広がればいいな〜♪






IMG_3515_R.JPG


本とDVDは買って、準備はできた。
あとは、滑走して飛び立つのみ!!

よっしゃ〜行くぞ〜!!






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2011年11月26日

福島第一原子力発電所の事故から何を学べるか?


プレスリリース
「福島第一原子力発電所事故から何を学ぶか」

http://pr.bbt757.com/2011/1028.html

大前研一さんが中心となり、
政府や電力会社から独立して、福島原子力発電所の事故を調査して
そこから教訓を得て、今後の原子力発電所の
再稼働評価の指針を与えるというもの。

利権や感情論だけで原発推進・反対をするよりも、
論理的で説得力のある取り組みだと思う。
 ※ただし、核燃料廃棄物や政治的な問題はスコープ外。



資料は上のURLにあって、以下はその解説ビデオ。

【記者会見】


【詳細解説】



この報告書を読むと
  ・津波によって原子炉に必要な電源のほとんどが壊滅したこと
  ・現場の職員の命懸けの働き
  ・地震そのものでは配管は無事で、全原子炉が安全停止していたこと
  ・外部電源と内部電源の役割と事故の実態
  ・3.11にメルトダウンからメルトスルーしていた証拠

などなど、うわさや風評を超えた事実が見えてきます。



教訓
ポイントは格納容器の絶対安全神話を頼った設計思想となっていたこと。
  1.津波に対する想定が甘かったことよりも、
    何が起きても過酷事故にはしない、という設計思想がなかった
  2.最も重要な電源と最終ヒートシンクが多重化設計されていたが
    多様化設計がなかった


教訓を受けて立てられた今後の原子力施設に対する対策はこれ。
   ・何が起きても原子炉に対する電源・冷却機能・水源を確保することを
    安全哲学として設計するべき
   ・常用/非常用/超非常用の3重の安全原理が必要
 

オンサイトとオフサイトの考え方は、自分の中では
具体的にはなかったので、なるほどと思った。




自分の分野への応用

この中間報告書を読んで、事故の状況を知るとともに
事故調査の仕方と安全性についての考え方は非常に勉強になりました。
これを自分の仕事に活かさない手はないですね。

■安全性の設計思想
 ・ソフトウェアの安全性設計
   ソフトの業務内容をよく理解して、
   フェールセーフ・フェールソフト・フォールトトレラントという思想を
   どのように設計指針として取り入れるか。

 ・家庭用ロボットの安全性
   会社で最近、盛り上がっているロボットソフトの安全性についても
   今は自分はやっていないけど、今後を考えて勉強していきたい。

■事故分析の仕方
  クロノロジーから教訓を得る方法は
  仕事でもやっている「プロジェクト総括」そのもの。
  この前も、大炎上したプロジェクト総括について、
  部長から、そんなのは総括ではない
  と言われたばかりなので、方法論としてチェックしたい。

  事実を羅列しているだけで、事象に意味付けを行なって
  そこから一般的な教訓を得ないと総括とは言えない。
  (関連:失敗の本質―日本軍の組織論的研究 (中公文庫)
  


このプロジェクトはまだまだ続くので
最後の結論まで追っていきたいと思っています。






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2011年09月04日

原子力という言葉に夢を感じられますか?それとも…


福島第一原発が事故っちゃってから、
放射線とか放射能とか、物理の講義でしか聞かない言葉が
そこらじゅうにあって、原子力が何かもわからずに怖がっている
あるいは強がっているようにみえる。


原子力とは

物質を構成する要素である原子は、
その中心にある原子核とその周りに存在している電子からなる。
原子核はプラスの電荷をもつ陽子と、電荷のない中性子からできている。
電子はマイナスの電荷を持っていて、電子の数と陽子の数は等しいから
原子としては電気的に中性であって…

ってこんな教科書みたいに書いてたら終わらなーい!

(x_x) ☆\( ̄ ̄*)バシッ



放射能とは

放射線を出す能力を放射能と呼び
放射能を持つ(放射線を出す)物質を放射性物質という。

では、放射線とは何か。この3つ。

 ・アルファ線 : ヘリウム原子核(陽子×2 + 中性子×2)
 ・ベータ線  : 電子
 ・ガンマ線  : 電磁波(紫外線、X線よりもエネルギーが高い光)


質量は一番上が大きいのでその分破壊力もある。
けど、大きさもあるのでわりと簡単に遮蔽できる。
下の方は、X線で体の中を覗けるように、
波長の短い光なので透過しやすい。(遮蔽しにくい)


原子核分裂

上の放射線は、原子がより安定な原子核になろうとして
自主的に一定の確率で原子核が分裂するときに発生する。

核分裂しやすい物質は決まっている。
やっかいなのは化学的性質が同じでも、
その同位体が放射性物資である場合があること。

化学的に有害ならば、中和や酸化還元などで
他の物質にして(原子の結合を組み替えて)安全にしてしまえばよい。

たとえば、ナトリウムは単体だと、
水と反応して発火する危険な性質があるけど、
塩素と化合した塩化ナトリウム(塩)
は危険性がないどころか生きる上で重要な物質になっている。



原発

さて、その核分裂のエネルギーを利用して
発電している施設が原子力発電所(原発)。

事故った後は、いろんな人が原発に反対したり
推進したりいろんなことを言っている。
自分は原発推進(これ以上増やすこと)には反対ですが、
原子力の研究をすべてストップするのはどうかと思っている。
化学的なエネルギー(火力)に比べれば桁違いに大きなエネルギーだし
核融合にも(同じじゃないけど)つながってくると思う。
それに、長持ちすることから、宇宙探査機の電源としても使える。
(たしか実用化はしていたはず)



でも、もちろんリスクはある。
それも巨大な。


今回の事故は、そのリスクが発生してしまい、しかも
リスク回避・対策がまったくできていないため、
チェルノブイリを超える放射能被害を、東北から関東圏にもたらした。
(食べ物の汚染も含めると日本全土)

いまも放射性物質をまきちらしながら
メルトスル―した核燃料を回収できていない。
技術的にまったく人類の力が追いついていない。
これだと、もはや、リスクではなくてデインジャーそのもの。

それと、原子力はもうわけがわからないくらい
大きな利権がからんでいるらしく(知らないけど)
技術の問題や、恐怖からくる願いだけでは歩みは止められないと思う。

戦争と同じで政治的すぎる。





大学に入学したとき(1999年)は、
2年目での配属先に原子力工学を選ぶこともできた。
当時は(いまも)物理は大好きで、その面白さ(学問的にね)の中心には
原子があって、原子力(核分裂)や核融合に
夢を求めていた人がたくさんいたのを思い出す。


この先、いつか、原子力がふたたび
夢のエネルギーとなる時が来るんだろうか?







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2011年04月28日

【論文】 2次元フォノニック結晶上の表面フォノン 可視化とシミュレーション


'Dynamic visualization of surface phonons in phononic crystals'

201104surfacephonon1.jpg


'Real-time Simulations and Experiments on Surface Acoustic Wave Scattering in Periodic Microstructures'

201104surfacephonon2.jpg


どちらもマイクロスケールの周期構造上における
表面フォノン(表面に局在して伝播する音響波。数百GHz)の分散関係を
数値計算+レーザー音響法でイメージングしている研究。


ミクロなスケールの音響波は、
(高価な装置さえあれば)1人で実験して観測できるし、
数式と簡単なプログラムで、シミュレーションして
理論的な説明を加えることができて、非常に面白い。
また、イメージングしていることで画像や動画として
はっきり見えるため、素人にも説明しやすい。

一方で、マイクロスケールではなくて、ミリとかメートルとか
人間スケールの音響学もある。
このスケールだと、たとえば、飛行機や電車の音を軽減したり、
クラブでの音楽の可聴空間を制限したり、
潜水艦のソナーによる魚雷の効率的な感知方法を探したり
といったより実用的な研究が多い。

というワケで、音響学は実感もできるし
計算も簡単だし(単純な波動方程式)、応用も多いので
明日からみんなも始めよう!






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2011年03月21日

【論文】 ガラス球上の表面音響波の干渉イメージング


大学の頃の研究室から最近出た論文を読んでみた。
まさに自分がしていた研究だ (゜o゜)

Interferometric imaging of surface acoustic waves on a glass sphere
http://eprints.lib.hokudai.ac.jp/dspace/bitstream/2115/44928/1/JAP108-12_123508.pdf

SAW333333333333333.jpg


【実験試料】
直径1mmのガラス玉の表面に60nm程度アルミニウムを
コーティングしたサンプルを準備する。
(ガラス玉はたしか1個5000円くらいで、コーティングは
スパッタリング装置で簡単にできる)

【実験】
このガラス玉の表面にレーザー光(赤外線)をレンズで集光する。
すると、表面の温度が一瞬で上昇し、局所的な熱膨張が発生して
その歪を緩和するために、ガラス玉内部と表面に音響波(弾性波)が発生する。

この論文では特に表面を伝わる音響波に注目している。 ==> 表面波
球の表面を伝わる音響波はすごく面白くて、しかも色々と有用なのです。
スケールは違えど、地震も地球という球面を伝わる音響波だし、
水素ガスセンサとしての工学的な応用もある。

検出には別なレーザー光を用いる。
表面波の起伏(数ピコメートル)によって生じる光の光路差を干渉計で検出する。
さらに、レーザーの到時間を走査することで
アニメーションとして、表面波の伝播を可視化することができる。(サンプル

自分がやっていたときは、干渉計は使わずに、
光弾性効果(物質の歪がそこを通過する光の反射率や偏光を
変化させる)を利用していた。
これは、球の回転軸・光ファイバー・励起光スポット・検出光スポットの全部を
うまく調整しないといけなくて、干渉計を使う余裕がなかったからなのです。
他にも、ガラス玉はよくなくなるし、光ファイバーは折れるしで、
めんどうな実験なんですよ。

【解析】
波形のフーリエ変換から分散関係を求めている。
また、同じようにフーリエ解析で、
フーリエ係数の実部(Re)と虚部(Im)の比率によって
極(励起点の対極点)に収束する波と極から発散する波の
波形が異なることをシミュレーションで示している。
(実験結果も同じように異なる波形をしている)

【球面上の表面波の特徴】
1.波長が球の半径に比べて短いときは、
  球面の曲がり(曲率)の影響は小さく、局所的に平面とみなすことができる。

2.波長が球の半径に比べて長いときは、
  表面に局在せず、球全体の振動(伸び縮み、ねじれ)となる。

3.多重周回
  1のケースでは、表面波が発生した地点と反対側の地点に
  収束するという性質がある。
  その後は、そこが新しい励起点となったように表面波が
  反対側(最初に発生した点)に向かって進むようになる。
 (対極点では位相がπ/2ずれたりする)
  地震波でも地球上を何周かする様子が観測されている。

【その他】
・励起点の対極に波束が収束するとき、光の集光の時と同じように
 位相がπ/2(Gouy位相)ずれるけど、そもそもこの原理は何?
 不確定性原理?よくわからない。
・Re(F0)/Im(F0)の関係はどうなっているのか?
 熱弾性効果と曲面の伝播が関わっている。









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2010年12月25日

ささやきの回廊


今年の初めに出た研究室の論文を勉強。

'Acoustic whispering-gallery modes generated
and dynamically imaged using ultrashort light pulses
'
T. Tachizaki, O. Matsuda, A. A. Maznev and O. B. Wright, Phys. Rev. B 81, 165434, 2010
PRB81-16_165434.pdf

WGrealtime.gif
60μm×60μm、時間スケールはns。


詳細はこちら
ウィスパリングギャラリーモード(ささやきの回廊)モードを見る
にもありますが、弾性率の異なる物質を
円柱状にして作り、その表面を伝播する表面波のモードを
ポンププローブ法で実時間イメージングしたもの。

円の境界は弾性率、つまりは音速が異なるため、
その比の大きさによっては、表面をくるくる回る
ウィスパリングギャラリーモードとなる場合がある。
このモードは日常生活のスケールでも、建物によっては
経験することのできる現象。
トンネルとかじゃさすがに無理だろうけど。





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2010年12月10日

光弾性効果を利用した表面音響波のイメージング


この前、大学の研究室のサイトを見てみたら
研究していたテーマが論文になったようだ。

[ Imaging gigahertz surface acoustic waves through the photoelastic effect ]
T. Saito, O. Matsuda, M. Tomoda, and O. B. Wright
J. Opt. Soc. Am. B 27, pp. 2632-2638 (2010)

JOSAB10.pdf


かいつまんで紹介すると……

・携帯の周波数変換フィルタや地震に関係している表面音響波
 (固体の表面を伝わる超音波)を
 光弾性効果(こうだんせいこうか)を利用して超短光パルスレーザー
 によって可視化する研究。

・ガラス板の表面に数十nmの金の膜を張り、
 830nmのピコ秒レーザーで表面を熱し
 熱弾性効果で弾性波を発生させる。
 ガラス側から415nmの第2高調波を照射し
 弾性波(歪)による密度変化から生じる光反射率の変化を検出する。
 さらに、検出光を2次元走査することで、
 波の伝播の様子をイメージングすることが可能になる。

・ガラス側から照射することで、ガラス内の歪の変調が積分されて
 反射光に大きな影響が現れる。実験では、この反射率がsin2θの
 角度依存性を持つことが明らかになった。
 これは歪成分によって変調を受ける物質の誘電率が異なるためで、
 複屈折としても知られている。

・現象を説明する理論は以下のような流れ。
  1.物質中の時間に依存しないMaxwell方程式を立てる
  2.変調のない誘電率のみを取り出し、
    デルタ関数入力としてグリーン関数法で解く
  3.誘電率変調による電場の変化はグリーン関数の積分
      +近似で求まる
  4.具体的な実験状況を盛り込んで、電場を求める
  5.入射電場、反射電場の成分から反射率を計算する
  6.反射率が入射偏光、検出偏光でどのような成分になるか計算する
  7.その結果、
     @x,y偏光の検出ではθ依存はない
     Aせん断歪による変調はsin2θの依存性がある

・この事実は、 表面波、SSLB(表面付近を伝わる縦波)ともに
 偏光によってθ依存性が異なるという実験結果と一致する。

・理論の底にある物理は、物質の誘電率は2×2の行で表現される
 2階のテンソルであり、等方性の物資でもx,y偏光の相互変化が
 Δε6によって生じること。光学的な異方性。

・光弾性効果を用いることで、光干渉計などで主に検出する垂直方向の
 歪変位だけではなく、せん断波を効率的に検出できる可能性があり、
 物質の弾性情報をより多く取得することができるかもしれない。  

・参考
 - 垂直入射光による反射率変化.pdf
 - 表面波による反射率変化.pdf
 - せん断歪の検出.pdf
 - せん断歪の検出2.pdf





posted by 色人 at 00:31| 北海道 ☔| Comment(3) | TrackBack(0) | 研究 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

2010年05月25日

【論文】 ソーシャルメディアの未来予測


http://www.hpl.hp.com/research/scl/papers/socialmedia/socialmedia.pdf

最近、多くの人が日常的にソーシャルメディアを使うようになってきている。
主にMySpace, Facebook, Twitter, mixiのような
新聞、TV、映画のようなマスメディアとは異なる
個人個人が社会に向かって発言できて
コンテンツを共有できるソーシャルネットワーキング。

この論文では、ソーシャルメディア上のコンテンツが
現実世界における利益を予想できることを示している。
具体的には、Twitter上のツイートから
映画の興行収入を予測している。



フォロー数の多い人が、つぶやくと
それは多くのフォロワーによってReTweetされて
口コミとして広がっていく。
これは、雑誌やTVよりも速く、
場所を限定されることなく、リアルタイムに広がっていく。
(Twittterを起動できるモバイルがあればよい)

その全体をトレースしていけば、大衆の集団的な心理がわかり、
それが現実世界の予測となる。
Twitter上のツイートをするのも、それを読むのも
現実の人なので、まぁ当然と言えば当然。

論文では、具体的な例を上げて
数値的な根拠を示しています。



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2010年03月18日

2007年の物理学会誌


昨日部屋を整理していたら、2007年の物理学会誌が出てきた。
物理 2.jpg

特集は…LHC実験やヒッグス粒子についてだった。
古って思ったけど、まだヒッグス粒子は見つかってないのね。
※ヒッグス粒子とはクォーク(陽子や中性子のもと)やレプトン(電子とか)
 に質量を与えるヒッグス場の量子。


あと、この雑誌には普通の生活では
見ることの出来ない家電がたくさん載っているんです!

YAGレーザー、分光エリプソメトリ、
ピラニー真空計、マグネトロン用スパッタ源、
ピエゾ電源、クライオスタット…


コウフンするねぇ〜
(ミラーニューロンの研究からいうと、こういうので喜ぶ脳の回路は
女の子を見て喜ぶのと同じらしいです。)



posted by 色人 at 00:35| ☁| Comment(2) | TrackBack(0) | 研究 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

2010年02月22日

フェルマーの最終定理


フェルマーの最終定理(※)を解いた
アンドリュー・ワイルズのドキュメンタリー。

※xn + yn = zn (nは自然数)
において、n ≧ 3の場合、この方程式を満たす自然数解は存在しない。
ガウス、ガロア、オイラーも解けなかったみたい。
ちなみにn=2の時はピタゴラスの定理。

証明のポイントは、谷村-志村予想というものなんだけど、
楕円曲線(解の集合が楕円の3次曲線)はすべて、
モジュラー形式(双曲空間における、極端に対称性の高い対象)である、
って言われてもまったくわからんw

それでもアツい思いが伝わってきますので、見る価値はありますぜ。
かっこよすぎる。

本もあります → フェルマーの最終定理(サイモンシン)




















posted by 色人 at 00:24| ☁| Comment(2) | TrackBack(0) | 研究 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

2009年07月29日

【論文】 バルク共振器における音響波の実時間イメージング


大学時代の研究に関連した論文を読んでみた。
久しぶりのレーザーピコ秒超音波法+実時間イメージング。

http://kino-ap.eng.hokudai.ac.jp/j-baw.html
Real-time imaging of acoustic waves on a bulk acoustic resonator,
T. Fujikura et al., Appl. Phys. Lett. 93, 261101, 2008




音響共振器内のモード変換や定在波モードを
サニアック干渉計を用いた光音響法でイメージングし
時空間フ−リエ変換で解析した論文。
周波数でによって異なる振動がバッチリ見えてますな〜


振幅(上)と位相(下)の2次元イメージ。
apl1.jpg



振幅(上)、位相(中間)、ある周波数でのフーリエイメージ。

apl2.jpg








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2009年06月21日

月周回衛星「かぐや(SELENE)」の最後


地球の出



セレーネ落下の瞬間。
すっげ。見れない場合は以下のリンクから。


http://mainichi.jp/select/wadai/graph/SELENE/index.html





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2009年04月30日

GW4日目 茂木先生講演 → 安P飲み


なぜか5時頃に起きてしまい、アクエリオンOVAを見て
マックでコーヒーを飲みながら、シータ波(脳波)の本を読み、
久しぶりに明治神宮を散歩する。
すごく気持ちいい。気持ちいい。
この自然のない東京で、森っぽいものを見れる数少ない場所。

090428_1302~01.jpg

渋谷に移動して光学部品(レンズ)を交換しようとしたけど
行ってビックリ休みで、そのまま神保町へ移動。
何回か行っているお寿司屋さんへ行く。
ボタンエビ777円なり(↓高っ)。その他食べて2000円。財務のなせる技。
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そのあとは、明治大学に行き、茂木健一郎先生の特別講義を受ける。
http://www.meiji.ac.jp/koho/hus/html/1239584079.pdf

最初の合田先生の紹介。これ文章でほしい。
すごくまとまっていたような気がする。


脳と仮想やクオリア入門などを読んでいたので、
内容的にはそれなりについていけはしたが、
アツい人でした。話が面白い!!

  マッハからアインシュタインへ
  ローレンツ変換(特殊相対論)
  偶有性 確率論で統計性以上の個を記述することへの問題
  デフォルトネットワーク(何もしてないときに活動するニューロン)
  ミラーニューロン、ミラーテスト
  Body Image 道具を手の延長と思うのは武道をする者からすると当然
  クオリア(感覚質) 哲学的ゾンビの話、反応選択性、相互作用同時性
  Free Will (自由意思)
   ヘーゲルとマルクス(生命が意識を決める・絶対精神の歴史への干渉)
  決定論的法則と自由意思(行動の前の脳活動)
  
茂木さんはすごく日本の心配をしていて
(しつこいほど学生に対して英語をやれと言っていた→確かにそう思う)
メディアの批判もしていた。
・・・すぐに自分で、「おれもそこで何やってんだろうって思う」とか言ったり。
自分の方向性への確信はあるけど、
その発言のためらいがすごく面白かった。
やはり講演で生じる臨場感がいい。
あとニコ動よりもYoutubeの方が好きみたいで。
090428_1604~01.jpg

その後はダッシュで安P飲みへ!!
090428_1826~01.jpg

090428_2127~01.jpg

Okiや後半にSgtとも合流して、
まさに安Pんちにいるような大変なあれでした。



posted by 色人 at 00:39| ☁| Comment(0) | TrackBack(0) | 研究 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

2009年02月27日

東工大☆学祭


…去年ですが(エントリ漏れ)

東工大祭@大岡山
他大の学祭ってあまり行ったことないから
それなりに期待していたけど、その予想よりも面白かった。

たった1人で3年かけて作ったプラネタリウム。
200万個の恒星を投影していたそうです。
この人に友達はいるのか、という心配もあったが、
音楽に合わせて星が映し出されたときはちょっと感動。


---- 研究室見学(メモ)↓------

@誤り訂正の研究
QRコードの誤り制御符号、30%損失でも復元可能。
電圧を細かく分けて、0か1かではなく、0〜5程度に分割する。
そうすると誤りの起こる可能性は上がるが、そのパターンを解析することで
誤り訂正の方法を探っている。(具体的な計算方法を知りたい)

A開発ツールの研究
バッファオーバーフロー、データ競合。
ある特定の条件の時にしか発生しないバグをどうやって検出するか。
コールグラフの精度を上げる。
一番の問題は前処理(#xxxxx)。
http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20081016/317139/

最後は、この日メインのイベント=東工大ミスコン☆
そういや、昔(10年前)は北大でもやってたな。
すごくかわいい子はいなかったけど、ネタもありそこそこよかった。
折れた傘を持った数学科の子は何位だったんだろう。

01toukoudai.jpg





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