相対性理論が面白いほどわかる本 ―あの大理論が中学生でもわかる、世界一やさしい入門書  物理のエッセンス力学・波動 ―新課程対応（河合塾ＳＥＲＩＥＳ）  ワープする宇宙―５次元時空の謎を解く  |
物理学（ぶつりがく、Physics）は、自然科学の一分野である。自然界に見られる現象には、人間の恣意的な解釈に依らない普遍的な法則があると考え、自然界の現象とその性質を、物質とその間に働く相互作用によって理解すること（力学的理解）、および物質をより基本的な要素に還元して理解すること（原子論的理解）を目的とする。化学、生物学、地学などほかの自然科学に比べ数学との親和性が非常に強い。 古代ギリシアの自然学にその源があり、"physics"という言葉も、元々は自然についての一般的な知識の追求を意味しており、天体現象から生物現象までを含む幅広い概念だった。現在の、物理現象のみを追求する"physics"として自然哲学から独立した意味を持つようになったのは19世紀からである。 物理学の古典的な研究分野は、物体の運動、光と色彩、音響、電気と磁気、熱、波動、天体の諸現象（物理現象）である。 概論古典的な物理学では、物理現象が発生する空間と時間は、物理現象そのものとは別々のものと考えられてきたが、重力の理論（一般相対性理論）によって、物質の存在が空間と時間に影響を与えること、物質とエネルギーが等価であることが解明されたことから、現代物理学では、物理現象に時間と空間、物質とエネルギーを含める。 物理学では物理現象を微視的な視点と巨視的な視点とから研究する。 微視的な視点の代表的なものは素粒子物理学で、自然界に存在するさまざまな物質が分子や原子、電子といった種類の限られた基本要素の組み合わせによって構成されていることを突き止めてきた。素粒子物理学は核子よりさらに基本的な要素であるクォークが存在することを解明し、さらにもっと基本的な要素であるストリングなどが研究されている。また、こうした物質要素の間に働く力が、重力、電磁気力、弱い力、強い力(又は核力)の4種類の力に還元できることも明らかにされてきた。現在知られている相互作用は以上の4つのみである。 巨視的な視点からは、液体や気体、熱エネルギー、エントロピー、波といった巨視的な物理現象が研究される。こうした巨視的現象も原理的には無数の粒子の微視的現象の積み重ねの結果であると考えられているが、構成粒子数が極端に多いためすべての素過程を記述して、そこから巨視的な現象を導くことは事実上不可能である。一方、こうした巨視的現象には構成粒子の従う法則とは関係なく、物質の巨視的な振る舞いを支配する別個の法則が存在するように見える（スケーリング_(物理学)）。例えば、水や雲、蜂蜜といった液体は、原子レベルにさかのぼらなくても液体として同じ法則に従って振る舞い、それらの物質的な特性の違いは粘性のような巨視的なパラメータとして表される。 熱力学や流体力学はそうした巨視的現象の法則からなる独立した物理学上の理論体系である。ここで注意しなければならないのは熱力学や流体力学はそれらの適用範囲においては、他の理論から完全に閉じた理論体系として存在していて、微視的現象を記述する量子力学の下位理論ではないことである。 現代の物理学は巨視的な現象を構成する実在の物質は究極的にはすべて微視的な素粒子から構成されると考えるので、巨視的現象の理論と微視的現象を記述する量子力学とのをつなぐ理論や現象も物理学の重要な研究テーマのひとつである。一般的にこの分野では統計物理学と呼ばれる強力な手法が使われる。ルートヴィッヒ・ボルツマンらによって開発されたこの手法は構成粒子の振る舞いを統計的に処理することによって巨視的現象と結びつけるものである。古典力学の範囲内では現象を確率的に扱うことの正当性が常に問題とされてきた。量子力学の登場によって確率的扱いの根拠を量子力学に求めることが可能になったが、量子力学を出発点として統計物理学を構築する試みは、いまだ完成したとは言えない。 物理学では、理論やモデルを数式として表現することが多い。これは、自然言語で記述するとどうしても厳密さに欠け、定量的な評価や複雑な推論をすることが難しいためである。数学は非常に強力な記号操作体系であるため、推論を一連の計算として実行することが可能なことと、複雑なモデルを正確・簡潔に表現することに適している。このように言語としての数学は、物理学を記述するのに適した特性を備えているが、学問としての物理学と数学は扱う対象も方法論も異なる。 物理学の研究において最も重要なステップのひとつは、物理法則を数式に表現する前の段階、観測された事実の中から記述すべき基本的な要素を抽出する行為である。電磁気学に貢献したマイケル・ファラデーが正規の教育を受けなかったため、数学的知識がなかったにもかかわらず、さまざまな発見を成し遂げたことや、ノーベル賞を受賞したリチャード・P・ファインマンが液体ヘリウムについて論じた論文やジョージ・ガモフが初めてビッグバン理論を提唱した論文には数式が出てこないことは、自然界の中に記述すべき対象を見つけ出す営みが物理学において重要なステップであるということを示している。 物理学の歴史は一見異なって見える現象を、同一の法則の異なる側面であるとして、統一的に説明していく歴史でもあった。 古くは、地上付近での物体の落下と月の運動を同じ万有引力によるものとしたニュートンの重力の理論は、それまであったケプラーの法則やガリレイの法則が万有引力の別の側面であることを示した。マクスウェルは、それまでアンペールやファラデーらが個別に発見していた電気と磁気の法則が、電磁気という一つの法則にまとめられることを導き、電磁波の存在を理論的に予言し、光が電磁波の一種であることを示した。 20世紀にはいるとアインシュタインが相対性理論によって、時間と空間に関する認識を一変させた。彼はさらに重力と電磁気力に関する統一場理論の研究に取り組んだが実現しなかった。しかし、その後も統一場理論に関する研究は他の研究者たちによって続けられ、新しく発見された核力も含めて統一しようとする努力が続けられた。1967年頃電磁気力と弱い力に関する統一場理論(ワインバーグ・サラム理論)が提唱され、後の実験的な検証により理論の正当性が確立した。この理論により、電磁気力と弱い力は同じ力の異なる側面として説明されることになった。 自然界に存在する重力、電磁気力、強い力、弱い力の4つの相互作用のうち、上記の電弱統一理論を超えて、電磁気力、強い力、弱い力に関する統一場理論である大統一理論、重力、電磁気力、強い力、弱い力の4つの相互作用全てに関する統一場理論(例えば、超弦理論が候補)が研究されているが、実験的に検証されておらず、現在においても確立には至っていない。(しばしば、上記の4つの相互作用に関する統一場理論は、既存の物理現象がその理論一つを基礎として理解できると考えられるため、万物の理論と呼ばれる事がある。) 物理学はほかの自然科学と密接に関係している。物理学で得られた知見が非常に強力なために他の自然科学の分野の問題の解決に寄与することも多く、生物学、医学など他の分野との連携も進んでいる。 特に化学とは分子科学と分子がバルク中で形成する化学化合物の科学と関係深い。化学反応は理論的には、量子力学、熱力学、電磁気学などの多くの物理分野に基づいて記述されうる。実際に量子力学に基づいて化学反応の原理を解き明かす量子化学という分野が存在する。 生物学においても、生物の骨格や筋肉を力学的に考察したり、遺伝子レベルでの解析や進化の物理的考察を行う分子生物学がある。 地球科学においても地球を物理的な手法を用いて研究する地球物理学があり、地震学・気象学・海洋物理学・地球電磁気学等は地球物理学の代表的な分野であるといえる。 今日の物理学は自然科学のみならず人文科学・社会科学とも密接に関係している。人文科学においては哲学との学際領域に自然哲学があり、自然哲学から今日の哲学と自然科学が分離したという見方もある。また、心理学も精神物理学を通じて物理学と密接に関係しているといえる。 社会科学においては中学校・高等学校における教科としての物理は教育学と密接に関係しており、経済現象を物理的に解明する経済物理学は経済学との学際的分野であるといえる。 以下に主要な物理分野と物理概念を示す。それに続いて物理とその分野の簡単な歴史を述べる。 主要な物理分野学問体系
研究方法
専門分野
関連分野・境界領域
注：現在「情報」そのものを物理学に準じて解釈した学問は無い。しかし量子干渉の分野などでその必要性が高まっている。
手法
物理の基礎概念
物理量
基本的な4つの力
物質の構成要素
物理学の概略史自然哲学古代から人々は物質の振る舞いを理解しようと努めていた。なぜ支持しない物は地面におちるのか？なぜ異なった物質は異なった性質を持つのか？など。宇宙の特徴はまた神秘であった。地球の成り立ちや太陽や月といった天体の動き。いくつかの理論が提唱されたが、そのほとんどは間違っていた。それらの理論は哲学の言葉でおおむね述べられており、系統だった試行的な試験によって変えられることはなかった。例外として、たとえば、古代ギリシアの思想家アルキメデスは力学と静水学に関して多くの正確で定量的な説明をした。 近代科学16世紀後半に、ガリレイは物理理論を立証するために実験を用いた。実験は科学的研究法における重要な概念である。ガリレイは力学に関するいくつかの結果を定式化し、成功裏に試験した。とくに、慣性の法則について。1687年にニュートンはプリンキピアを出版した。それは二つの包括的かつ成功した理論を詳述していた。その一つ、ニュートンの運動方程式は古典力学の起こりとなった。もう一つ、万有引力の法則は基本的な力である万有引力を記述する。両理論は実験と良く一致した。ラグランジュ、ハミルトンらは古典力学を徹底的に拡張し、新しい定式化、原理、結果を導いた。重力の法則によって宇宙物理学の分野が起こされた。宇宙物理学は物理理論をもちいて天体現象を記述する。 18世紀から、ボイル、ヤングら大勢の学者によって熱力学が発展した。1733年に、ベルヌーイが熱力学的な結果を導くために古典力学とともに統計論を用いた。これが統計力学の起こりである。1798年に、トムソンは力学的仕事が熱に変換されることを示した。1847年に、ジュールは力学的エネルギーを含めた熱についてのエネルギーの保存則を提示した。 電磁気学の発達電気と磁気の挙動はファラデー、オーム、他によって研究された。1855年にマクスウェルはマクスウェル方程式で記述される電磁気学という単一理論で二つの現象を統一的に説明した。この理論によって光は電磁波であると予言された。 1895年に、レントゲンはX線を発見し、それが高い周波数の電磁波であることを明らかにした。放射能はベクレルによって1896年に発見された。さらに、ピエール・キュリーとマリ・キュリーほかによって研究された。これが核物理学の起こりとなった。 1897年に、トムソンは回路の中の電流を運ぶ素粒子である電子を見つけた。1904年に、原子の最初のモデルを提案した。それはプラムプリン模型として知られている（原子の存在は1808年にドルトンが提案していた）。 現代物理学1905年に、アインシュタインは特殊相対性理論を定式化した。その中では時間と空間は時空という一つの実体に統一される。相対性理論は古典力学とは異なる慣性座標系間の変換を定める。それ故、古典力学の置き換えとなる相対論的力学を構築する必要があった。低(相対)速度領域においては二つの理論は一致する。1915年に、アインシュタインは特殊相対性理論を拡張し、一般相対性理論で重力を説明した。それはニュートンの万有引力の法則を置き換えるもので、低質量かつ低エネルギーの領域では二つの理論は一致する。 1911年に、ラザフォードは散乱実験から陽子と呼ばれる正の電荷の構成物質でぎっしりと詰まった原子核の存在を推定した。中性の核構成物質である中性子は1932年にチャドウィックによって発見された。 1900年代初頭に、プランク、アインシュタイン、ボーアたちは量子論を発展させ、離散的なエネルギー準位の導入によってさまざまな特異な実験結果を説明した。1925年にハイゼンベルクらが、そして1926年にシュレーディンガーとディラックが量子力学を定式化し、それによって前期量子論は解釈された。量子力学において物理測定の結果は本質的に確率的である。つまり、理論はそれらの確率の計算法を与える。量子力学は小さな長さの尺度での物質の振る舞いをうまく記述する。 また、量子力学は凝縮系物理学の理論的な道具を提供した。凝縮系物理学では誘電体、半導体、金属、超伝導、超流動、磁性体、といった現象、物質群を含む固体と液体の物理的振る舞いを研究する。凝縮系物理学の先駆者であるブロッホは結晶構造中の電子の振る舞いの量子力学的記述を1928年に生み出した。 第二次世界大戦の間、核爆弾を作るという目的のために、研究は核物理の各方面に向けられた。ハイゼンベルクが率いたドイツの努力は実らなかったが、連合国のマンハッタン計画は成功を収めた。アメリカでは、フェルミが率いたチームが1942年に最初の人工的な核連鎖反応を達成し、1945年にアメリカ合衆国ニューメキシコ州のアラモゴードで世界初の核爆弾が爆発した。 場の量子論は、特殊相対性理論と整合するように量子力学を拡張するために定式化された。それは、ファインマン、朝永、シュウインガー、ダイソンらの仕事によって1940年代後半に現代的な形に至った。彼らは電磁相互作用を記述する量子電磁力学の理論を定式化した。 場の量子論は基本的な力と素粒子を研究する現代の素粒子物理学の枠組みを提供した。1954年にヤンとミルズはゲージ理論という分野を発展させた。それは標準模型の枠組みを提供した。1970年代に完成した標準模型は今日観測される素粒子のほとんどすべてをうまく記述する。 場の量子論の方法は、多粒子系を扱う統計物理学にも応用されている。松原武生は場の量子論で用いられるグリーン関数を、統計物理学において初めて使用した。このグリーン関数の方法はロシアのアブリコソフらにより発展され、固体中の電子の磁性や超伝導の研究に用いられた。 今後の方向性2003年時点において、物理学の多くの分野で研究が進展している。 スーパーカミオカンデの実験からニュートリノの質量が0でないことが判明した。このことを理論の立場から理解しようとするならば、既存の標準理論の枠組みを越えた理解が必要である。質量のあるニュートリノの物理は現在理論と実験が影響しあい活発に研究されている領域である。今後数年で粒子加速器によるTeV（テラ電子ボルト）領域のエネルギー尺度の探査はさらに活発になるであろう。実験物理学者はそこでヒッグス粒子や超対称性粒子の証拠を見つけられるのではないかと期待している。 量子力学と一般相対性理論を量子重力の単一理論に統合するという半世紀以上におよぶ試みはまだ結実していない。現在の有望な候補はM理論とループ量子重力理論である。 宇宙物理学の分野でも1990年代から2000年代にかけて大きな進展が見られた。特に1990年代以降、大口径望遠鏡やハッブル宇宙望遠鏡・COBE・WMAP などの宇宙探査機によって格段に精度の良い観測データが大量に得られるようになり、宇宙論の分野でも定量的で精密な議論が可能になった。ビッグバン理論及びインフレーションモデルに基づく現代のΛ-CDM宇宙モデルはこれらの観測とよく合致しているが、反面、ダークマターの正体や宇宙の加速膨張を引き起こしていると考えられるダークエネルギーの存在など、依然として謎となっている問題も残されている。これ以外に、ガンマ線バーストや超高エネルギー宇宙線の起源なども未解決であり、これらを解明するための様々な宇宙探査プロジェクトが進行している。 凝縮物質の物理において、高温超伝導の理論的説明は、未解明の問題として残されている。量子ドットなど単一の電子・光子を用いたデバイス技術の発展により、量子力学の基礎について実験的検証が可能になってきており、さらにはスピントロニクスや量子コンピュータなどへの応用展開が期待される。 |
