宇宙を読み解くために生まれた、私たちの日常生活から生まれた7つの発明

科学の分野は、互いに何の関係もない完全な分野ではありません。実際、お互いにフィードバックをすればするほど、より良い結果が得られます。コロナウイルスワクチンの素晴らしい例は、生化学者、免疫学者、医師などの専門家の協力から生まれました。また最近、コンピュータ科学者と生物学者のチームが力を合わせて、クジラの言語を解明しようと試みています。そして、たとえば伝染病の展開を予測するために、数学者が医師に加わるのは珍しいことではありません。したがって、私たちが日常生活で使用したり、医療などの専門分野で使用したりする日用品の多くが、明らかに科学とは何の関係もない科学、つまり天文学の活動から来ていることは驚くべきことではありません。

これらは一般に、天体物理学、さらには宇宙開発競争の問題を解決するために登場したテクノロジーであり、後に他の分野での使用に応用できる可能性があります。

あらゆる種類があります。私たちの中には、ほとんど気づかずに毎日それらを使用している人もいます。実際、この記事を読んでいるということは、これらのテクノロジーの少なくとも 1 つを使用していることになります。しかし、あなたは一日中誰か他の人と連絡を取っているかもしれません。以下に、そのいくつかの例を示す小さなリストを示します。

天文学とその先へ

天文学から日常の物体にまで飛躍したテクノロジーの例について話し始める前に、この分野に投資することがなぜ重要なのかを覚えておく価値があります。もちろん、それは私たちに科学的知識を提供するためです。しかしそれは、気づかないうちに私たちの生活をずっと楽にしてくれるからでもあります。

このことについて、私たちはアルメリアにあるカラル・アルト天文台の技術天文学者コーディネーター、アナ・ギハロ・ロマン氏と話をしました。 「技術の進歩と発明には、非常に特殊なニーズがあり、それを解決する機器を開発する必要があるようです」と彼は説明します。 「自宅で行うことは可能ではありますが、あまり効果的ではありません。社会全体に付随的な利益が本当に達成されるのは、複数のグループや企業が関与する特定のプロジェクトがあり、既存のニーズを解決するだけでなく、商業化に飛躍できる製品を獲得したときです。そして発明の価格を下げることです。」

そして、これは必要な投資を見つけるときに考慮されるものです。 「これらのデバイスの開発には常に大きな技術進歩があり、それには多額の経済投資も伴います」とギジャロ氏は言います。 「投資家（投資家は、研究センター、大学、研究機関を通じた企業、民間団体、または国家そのものでもよい）を説得するには、ある意味で発明の勝利とそれがもたらす大きな有用性を実証する必要がある。科学のために必要なだけでなく、この投資が行われる地域の技術進歩を伴うことを理解してもらうこともできます。」

これを読んでいるテクノロジー

Wi-Fiについて話すことなくこのリストを始めることはできません。Wi-Fi とは、どこにいてもケーブルを必要とせずにインターネットに接続できるようにするテクノロジーです。

その発明は、第二次世界大戦中にナチスを倒すために始まり、小さなブラックホールを検出するために再発明され、そして今この瞬間にこの記事を読むことができるようになったので、刺激的です。

このテクノロジーの基礎は、偉大なHedy Lamarrによって築かれました。彼女は20 世紀初頭の非常に有名な女優であり、工学の大の愛好家でもありました。彼女の大きな問題は、ナチス支持者で嫉妬深く独占欲が強い武器商人と結婚したことであり、その男は彼女に女優として働くことや科学を学ぶことを禁じた。それでも、優れた知性を持っていた彼女は、大学には行かずに独学で勉強し、自宅で本を読み、夫の軍需工場訪問に同行した際には技術者に質問した。こうして彼は、連合軍から逃れることにためらうことなく連合軍を自由に使える知識を獲得した。

Wi-Fi はヘディ・ラマーの発明から始まりました

彼は、ナチスと戦うために送られた飛行機が敵軍に簡単に捕らえられたことを知りました。このため、彼はミュージシャンのジョージ・アンタイルとともに、ノイズや干渉の影響を受けない無線信号を使用した通信システムを設計しましたが、これも認識や解釈が困難でした。この戦争には使用されませんでしたが、最終的には軍隊で大いに役立ちました。

それだけではありません。この技術は、1999 年にオーストラリアの電波天文学者であるジョン オサリバンによっても使用され、スペクトル拡散技術として知られるその技術に基づいて、干渉計で取得した画像の処理を改善し、より正確かつ効率的に検出できるメカニズムを設計しました。小さなブラックホールの爆発。

その後、そのワイヤレス テクノロジーは、今日私たちが知っている Wi-Fi のように、非常に大規模に使用されるように進化しました。

日用品: 天文学からキッチンまで

アナ・ギハーロ氏は、天文学研究を日常の物体の開発に応用した特に興味深い事例を語ってくれました。

いつものように、すべては解決しなければならない問題の出現とともに起こりました。 「望遠鏡がますます大型化し、より遠くの物体を検出できるようにするには、ミラーが必要でした」と彼は言います。 「光学解像度の限界に達するには、大きなミラーは非常に正確で完璧な状態を保つ必要がありました。 「さらに、鏡の重みで鏡が曲がって歪んだ画像が得られないよう、変形しないものでなければなりません。」

キッチンガラスセラミックスの材料は、望遠鏡の鏡を作るために生まれました。

そして、その問題に対する独創的な解決策を見つけたのが眼鏡店のカール・ツァイスでした。少なくとも、出発点を考え出したのは彼だった。 「鏡の材質を探る研究により、眼鏡技師カール・ツァイスはガラス化セラミックの発見に至りました。これは、曲げに対しても、そして最も重要なことには、温度差に対してもほとんど変形しませんでした。」と、この報告書から相談を受けた天文学者は説明します。中くらい。 「彼らはオットー・ショットと一緒に、世界中のほとんどの鏡に使用されているゼロデュアとセランのガラスセラミック素材を製造する会社を設立しました。また、それらの抵抗が大きかったため、キッチンで使用するプレートの製造にも踏み切りました。熱と温度変化に。

大量に生産することでコストを下げ、市場に出せる製品を提供することができました。こうして、今日多くの人が家に置いている陶器のコンロが誕生しました。

星と耳式体温計にはどんな関係があるのでしょうか？

多くの人、特に子供が熱を測るために家に耳式体温計を持っているため、耳式体温計は日常用品です。

彼らが使用するテクノロジーはこの目的に非常に役立ちますが、アナ・ギハーロ氏も語っているように、それ以前から天文学者にとって非常に便利であり、そして今もそうです。 「空の星の組成、温度、速度、距離などのパラメータを知るには、私たちが持っている唯一のものは光だけです。」と彼は始めます。 「その光を調べることで、私たちはそれらの未知のことに答えることができなければなりません。どうすればいいでしょうか？そうですね、その光、フォトンを可能な限り完全かつ正確な方法で収集します。私たちは、私たちの目が感知する可視範囲に届く光を収集するだけでは満足できません。私たちには見えない光の範囲もありますが、他の機器はそれを認識します。」

これは天文学だけでなく、化学などの他の科学分野にも適用されるものです。各周波数での光の放出と吸収を観察することで物質の組成を知ることができるからです。

耳式体温計は、体から発せられる放射線の波長を測定して体温を計算します。

医療にも役立ちます。 「X線で人体を検出して骨だけを見るか、赤外線カメラで部分だけを観察する場合と同じように、光の各範囲から星に関する情報が得られます。静脈や心臓などの温度が異なります」とギハーロ氏は比較します。 「同じことが星にも起こります。赤外線検出器を使えば最も古くて冷たい星が見え、紫外線検出器を使えば若くて熱い星が見えます。温度と物体から放出される最大放射線とを関連付ける方程式があります。したがって、その最高値を検出できれば、接触型温度計を天体に設置しなくても、天体の温度を知ることができるのです。」

そして、私たちはすでに体温計に到達しています。それがまさに耳式体温計の機能だからです。 「彼らは私たちが発する放射線を検出し、その温度を教えてくれます。 37℃にいると、 935 nmの波長の放射線、つまり赤外線が放射されます。 926 nmで放射すると、温度は40℃になります。」

望遠鏡から携帯電話まで

最初の天文学者は空を見るためだけに目を持っていました。その後、最初の初歩的な望遠鏡が登場しました。しかし、彼らの目は依然として、目を通して見た画像を捉えて処理するための主要なツールでした。

最初の人類は、職業が何であれ、コミュニケーションするために自分の声しか持っていませんでした。その後、メッセンジャー、郵便、電報によってメモが送られるようになりました。しかし、コミュニケーションは間違いなく大きな革命を経験しました。 最も有名な日常品の 1 つである電話の発明。

「すべての携帯電話には、天文学で開発された CCD が搭載されており、家族の最も美しい写真を撮影します。」

アナ・ギハーロ、天文学者

望遠鏡も電話も進歩し続けたので、今日私たちが持っているものは最初のものとは何の関係もありません。両方の発明で導入されたすべての改良点の中で、カメラは最も重要なものの 1 つでした。したがって、望遠鏡の画像処理を改善するために開発された技術の一部が、最終的にスマートフォンに進出したとしても不思議ではありません。これは、たとえばCCDの場合に当てはまります。

実は、これらのデバイスは、データの保存とキャプチャに関連する他の目的のために発明されました。しかし、望遠鏡による画像の取得と処理のプロセスを簡素化できるため、最も早く完成したのは天文学の分野でした。そして、大きなジャンプが起こりました。 「この発展は指数関数的であり、商品化への移行は非常に速く、非常に小型で効率的、そして何よりも非常に安価なデバイスになったので、今では誰もがそれを持ち歩いています」とアナ・ギハーロ氏は言います。 「すべての携帯電話には、天文学で開発された CCD が組み込まれており、家族の最も美しい写真を撮影します。」

燃えないようにしたい日用品

すべてが天文学の研究というわけではありません。宇宙開発競争の結果として誕生した日常品は数多くあります。この例としては、NASA が宇宙服にベルクロを導入したことで有名になったベルクロや、宇宙飛行士の衣服の一部でもある耐火生地などが挙げられます。

しかし、宇宙飛行士は布地だけで生きているわけではありません。宇宙開発競争中、地球外での滞在中の安全を守ることを目的とした数多くの発明が開発されてきました。たとえば、これは煙感知器の場合です。ただし、実際には、この発明の起源を知るには、もう少し遡る必要があります。当時、ジュール・ヴェルヌの想像力だけがすでに宇宙を訪れていた頃です。

最初の煙感知器は 1890 年に特許を取得しました。

1890 年、アメリカの物理学者フランシス・ロビンス・アプトンは、最初の電気式火災感知器の特許を取得しました。その直後の 1902 年に、電気技師のジョージ アンドリュー ダービーによって、その小さなバリエーションがヨーロッパで発明されました。

問題の装置には、部屋の温度が火の存在下で通常到達する熱に関連して設定された制限を超えると閉じる電気回路がありました。そうなったら警報が鳴るだろう。

その装置は完成され、さまざまな状況に適応されましたが、それが今日私たちが知っているものに最も近づいたのは宇宙開発競争でした。それは前世紀の 70 年代に起こりました。NASAがハネウェル社と協力して、スカイラブでの初期火災の可能性の存在を検出するメカニズムを開発したときです。これは、1973 年から 1979 年まで地球の周回軌道を周回したアメリカ初の宇宙ステーションに付けられた名前です。Skylab の煙探知機に含まれた主な改良点は、誤警報を回避するために、さまざまな感度レベルに調整できることでした。

アプトンとダービーの発明に欠けていたのはその詳細だった。それから 1 世紀以上が経ち、何百万もの命が救われました。特に地球上だけでなく、宇宙でも同様です。

プログラミングでも

日常的な物体を超えて、宇宙開発競争と天文学は、ここ地球上で多くの用途があることが判明したツールを完成させました。

これは、 IDLなどの一部のプログラミング言語の場合です。これはデータ分析指向の言語で、1970 年代にコロラド大学ボルダー大学の大気宇宙物理学研究所で初めて開発されました。

この言語は石油の探索など、多くの分野で使用されています。

その最初の応用例の 1 つは、それぞれ1969 年と 1971 年にNASA が火星探査のために送った 2 台のロボット宇宙船、マリナー 7 号とマリナー 9 号によって得られた情報を解釈することでした。

それ以来、多くの宇宙ミッションで使用されてきました。たとえば、欧州宇宙機関 (ESA) は、1980 年代にジョット宇宙船によって撮影されたハレー彗星のほぼすべての画像を処理するためにこのシステムを使用しました。さらに、ハッブル宇宙望遠鏡のいくつかの異常を特定し修復するためにもこのシステムが不可欠でした。

このプログラミング言語はこの種の目的のために開発されましたが、時間が経つにつれて、他の、より地上的なアプリケーションにも使用されるようになりました。文字通り、一部の石油会社はすでに燃料を探すためにそれを使用しているからです。

命を救う天文学

何世紀にもわたって、天文学は目には見えないいくつかの謎を解明しようと試みてきました。

医学は、謎は異なりますが、同じものを求めています。このため、広大な宇宙を精査するために使用されてきたツールの一部は、時間の経過とともに人体の内部を調査するために適応されてきました。

開口合成技術は、コンピューター断層撮影や磁気共鳴画像法などのツールの背後にあります。

これらすべての例として、アパーチャ合成技術以上のものはありません。これは干渉法の一種です。つまり、波の重ね合わせを利用して干渉現象を引き起こし、それを利用して情報を抽出するのです。これは、一連の望遠鏡からの信号を混合するために使用され、すべての望遠鏡を組み合わせたときと同じ大きさの機器と同じ角度分解能の画像を生成します。これは天体物理学者マーティン・ライルのチームによって開発され、彼はまさにこの発明により 1974 年にノーベル賞を受賞しました。それ以来、ブラック ホールの最初の画像を取得するなど、印象的なタスクに使用されてきました。

しかし、それは天文学でのみ使用されているわけではありません。この技術は、コンピューター断層撮影法、磁気共鳴画像法、陽電子放射断層撮影法など、医療で広く使用されているツールの背後にあります。これらは私たちの家にある日常的な物体ではありませんが、初めてブラックホールに直面したり、世界中で何百万もの診断を得るのに役立った素晴らしいツールです。

これから何が残るのか

天文学は何年にもわたって日常の物体の開発に関与し、科学の他の分野と協力してきましたが、これはまだ始まったばかりです。

この点に関しては、まだ知るべきことがたくさんあります。実際、Ana Guijarro 氏は、一部のテクノロジーは現在、科学の他の分野への多角化において大きな進歩を遂げていると語ります。これは、たとえば補償光学の場合です。

「地球の大気の影響で、天文学の画像はぼやけて見えます。解決策として、人工衛星で望遠鏡を宇宙に送るという選択肢があります。あるいは、その瞬間に大気によって生じた乱れを知ることで、天文台で得た画像を修正することもできます。つまり、大気によって生じる光学収差に応じた特殊なミラーの変形に基づいた補償光学を使用します。この可変鏡はこれらの収差に適応し、大気がない場合と同じ品質と鮮明さで星の画像を取得できるように補正します。このためには、可変形状ミラーが 1 秒あたり約 1000 回の速度で学習して修正する必要があります。この素晴らしい発展は、眼科、ニューラルネットワーク、人工知能などの分野での応用を引き起こしており、今後もあらゆる分野で応用が期待されています。」

アナ・ギハーロ、天文学者

天文学には社会に与えられる贈り物がまだたくさんあるので、私たちは備えることができます。確かに多額の投資が必要ですが、他の分野に与える影響は計り知れません。なぜなら、科学は常に社会に役立つものでなければならず、それは天文学者がよく知っていることだからです。 「私たち科学者は、周囲で起こっている研究や技術開発を人々に直接知ってもらうために、私たちが何をしているのかを教えるために、研究所や天文台を離れることをほぼ強制されています。」人間の最高の所有物は自由です。だからこそ、これらすべてが非常に重要なのです。なぜなら、ギハーロが私たちに語るように、「知識を持った人々は操作されにくく、より自由になるからです」。