『エクスパンス』は巧妙なトリックで人工重力を実現

SFと科学のファンとして、 『エクスパンス』には素晴らしい科学描写がたくさんあると言わざるを得ません。ドラマに登場する科学だけではありません。登場人物たちも物理学への理解を示しているようです。シーズン1のあるシーンは、物理学の典型例として特に際立っています。

ネタバレ注意ですが、ストーリーの大きな要素は明かしません。でも、警告しておきます。

よし、まだ読んでくれているなら、場面を説明しよう。二人の主人公（ジムとナオミ）は、宇宙船につながるタラップを走っている。このタラップは、人工重力を生み出すためにエンジンをかけて加速している大型宇宙船の中にある。しかし、ちょっと待って！彼らは攻撃を受けている。別の男が、彼らが宇宙船に乗り込むのを阻止しようと、武器を発砲する。やがて、誰かが大型宇宙船の重要な部分を撃ち、エンジンが停止する。推進力がなくなったジムとナオミは人工重力を失い、タラップから浮き上がってしまう。二人は磁気ブーツを履いているが、タラップの上ではブーツが使えない。二人は絶望的な状況に陥る。

さて、次は物理学です。ジムは高校で物理を専攻し、真剣に勉強していました。彼が次に何をしたのかを完全に理解できるように、物理学の主要概念を復習しましょう。

すべては力と運動量に関するものです。力とは、2つの物体間の相互作用です。確かに、複数の物体が相互作用することは可能ですが、一度に扱うのは2つの物体だけです。例えば、あなたとボールを例に考えてみましょう。手を前に動かすと、ボールに力を加えることができます。しかし、力は2つの物体に作用するため、ボールはあなたを反対方向に押し返します。実際、あなたがボールに押し付ける力は、ボールに押し付ける力と全く同じ大きさです。これが力の本質です。

これがジムの物理法則の最初の部分です。彼は足を使ってナオミを押します。ナオミを上向きに押し離すと、彼女は同じ力で、しかし反対方向にジムを押し返します。これが図です。

2つ目の重要な概念は運動量です。運動量は物体の質量と速度の積です。物理学者は運動量を表すのに「p」という記号を使います。なぜなら、それがクールに見えると考えているからです。実際、ラテン語のimpetus（インペトゥス）と関係があると主張する人もいますが、真相は定かではありません。

運動量は、運動量原理によって力と関連しています。これは、物体に働く正味の力は、運動量の時間変化率に等しいというものです。ある短い時間間隔において、物体に一定の力が働いている場合、次の式が成り立ちます。

いくつかコメントがあります。「F」と「p」の上にある矢印は、それらの量がベクトル（多次元変数）であることを意味します。これは特に意識する必要はありません（ただし、念のため念のため書いておきます）。ただ、ベクトルを省略するのは好きではないのです。気持ち悪いからです。もう一つの記号はΔ（デルタ）です。これは「変化」という意味で使います。つまり、運動量の変化を時間の変化で割ることになります。しかし、ここで重要なのは変化です。力は運動量を変化させるのです。

さて、この2つの考えを組み合わせてみましょう。ジムはナオミをある程度の力で押していますが、それはつまり、同じ大きさで反対方向にジムを押している力もかかっていることを意味します。これらの力はジムとナオミに何をもたらすのでしょうか？運動量を変化させます。二人の質量はおそらく変わらないので（変わらないでしょう）、速度の変化につながります。もしジムの質量がナオミよりも大きい場合、ナオミと同じ運動量の変化（ただし、方向は逆）を生じさせるのに必要な速度の変化はジムの方が小さくなります。

ジムの物理学のトリック、もう分かりましたか？では、人工重力が止まった後に何が起こるのか見ていきましょう。まず、なぜ彼らは浮き上がるのでしょうか？無重力状態だからでしょうか？いいえ、違います。彼らは体を支えるためにタラップを押していました。人工重力が止まった後も、彼らは少しの間タラップを押し続け、それが上昇する勢いを増したのです。

タラップから離れようとした時、ジムは失礼なことをします。ナオミをタラップから押しのけてしまうのです。しかし、ナオミを押しのけるということは、彼をタラップの方へ押しやる力が働いていることを意味します。つまり、ジムはタラップの方へ、ナオミはタラップから離れるということです。しかし、ジムはナオミを押す前に、彼女にケーブルをクリップで留めていました。そして、タラップに到達したら、タラップを掴んで力を加えることはできますが、自分自身を引き上げることはできないため、ナオミを引き込むことができます。最終的に、二人ともタラップに到達し、マグネットブーツを使うことができました。ジム、よくやった！

最後にもう一つ。モデル化してみないと、本当の意味で理解したとは言えません。さて、ここにPythonモデルがあります。「再生」ボタンをクリックして実行してみてください。コードにはコメントも入れてありますので、ぜひご覧ください。

自由にコードを編集して遊んでみてください。モデルは遊ぶためのものなのですから。

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