今や、物理学はあらゆる学問の基礎になっている
そして、数学は物理学の理論をもっとも厳密に記述する・・・
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こんな感じかな?
Creator Aoyagi YoSuKe
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。
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。
おおざっぱに言えば、宇宙とは何か? これが、物理学の命題です
ニュートン力学、相対論で、宇宙のフレームワークを記述
電磁気学で、電磁波の存在を記述
熱力学、エントロピーの法則で、宇宙のエントロピーは増大している、最後は熱死である
宇宙の誕生がビッグバン、インフレーション理論
宇宙の経過が4つの力を、重力場、電磁場において統一する、大統一場理論
宇宙の死がエントロピーの増大により、熱死でおわる
ホーキングの予測では、熱死は100兆年後?
現時点で宇宙が誕生して137億年、熱死に至るのは、遥かかなたの未来である
こんなとこかな? 物理学は?
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。
E=MC2
つまり、
エネルギー=物質=波
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
[要出典]。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
。
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
[要出典]」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。
---Wiki
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。
物理現象の微視的視点と巨視的視点 [編集]
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
[要出典]。
[要出典]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。
[要出典]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。
大量の数値計算を可能にする
スーパーコンピュータによって、大量の粒子の理論的振る舞いを数値的にシミュレートして巨視的な振る舞いを再現させようとする
計算物理学の試みが20世紀後半から勃興している。
物理学と数学 [編集]
物理学にとって
数学は欠くことのできない道具である。自然現象を
数式によって定量的に記述していくことは、物理学における基本的な方法論のひとつであり、どんな教科書にも
方程式が、特に
微分方程式が、よく登場する。この写真は物理学の教科書の一例で、熱・統計力学に関する本。
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。
物理学の発展と拡張 [編集]
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
[要出典](物理学の歴史そのものについては後述)。
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、それまであった惑星の運動に関する
ケプラーの法則やガリレイの落体運動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ことがある)。
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。
物理学の親和性 [編集]
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
[要出典]。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。
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
[要出典]」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。
主要な物理分野 [編集]
学問体系 [編集]
研究方法 [編集]
専門分野 [編集]
関連分野・境界領域 [編集]
手法 [編集]
物理の基礎概念 [編集]
物理量 [編集]
基本的な4つの力 [編集]
物質の構成要素 [編集]
図表 [編集]
自然哲学 [編集]
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 [編集]
電磁気学の発達 [編集]
現代物理学 [編集]
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。
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 [編集]
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。
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