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物理学とは

作成者 Atsushi、公開日 01/07/2019 Blog > アカデミック > 物理学 > 物理学に関するすべて

紀元前250年頃まで遡るアルキメデスの原理から、現代の量子重力理論を証明するための学者たちの切磋琢磨に至るまで、物理の世界への関心は時代を経るにつれて膨らみました。

とは言え、ほとんどの人が物理(学)と聞くと身構えます。学生は物理を勉強するのに気が進まず、また学校は学校で優秀な物理の先生を惹きつけ、留めておくのが難しいと嘆いています。

確かに、物理学は素粒子から天文学に至るまで、その研究分野は多岐にわたっています。

覚えておいてほしいのは、他の学問と同じ様に、何も物理学全体を学ぶ必要はないということです。

物理学の基礎、計算式や概念を学ばなければならないのはもちろんですが、基礎ができたら情熱をどの分野に傾けるかを決めるのは、あなた自身です!

Superprofは、物質の性質、物質の状態と平衡、そして作用・反作用の法則など、物理学の基礎を身につけるのをサポートします。

私たちの身の回りの世界の見方を一変させた歴史上の物理学者や今を時めく物理学者をご紹介できるのは、先生冥利に尽きます。

もちろん、物理学の専門用語を知らなければ、何も始まりませんが・・・。

物理学用語集

「一般相対性理論」とただ聞いただけでこんな顔をされるのは、まさか・・・?ソース:Pixabay Credit: CFV Images

告白の時です。NHKの天文学のドキュメンタリーにテレビのチャンネルを合わせたとき、目がぐるぐる回ってしまうような感覚を覚えた人は・・・?もちろん、そのような人は一人や二人ではありません

ビッグバン理論のドキュメンタリーは、他のどのテレビ番組よりも人々に物理を身近に感じてもらうきっかけになったのではないでしょうか?

科学的な側面の話は諸説紛々としていてまとまりがなく、聴いてもピンと来ない言葉でまくし立て、科学について語るのに深淵な話をしているというよりも、どのスーパーヒーローの映画がヒットするかを熱っぽく語っているかのようにああでもないこうでもないと論じているように感じられませんでしたか?

何の内容について話をしているかについて少しでも内容を理解していたら、科学者が熱っぽく語る話も、夢うつつというより、興味がそそられることもあったかもしれません。以下の用語について知っていたら、目の色も変わったかもしれません。

量子:それ自体、「物理量の最小単位」を意味します。さまざまな物理的概念と結び付けられ、最小の粒子レベルの研究に使われます。量子レベルの研究分野には、以下があります。

  • 量子力学は、場の量子論など、微視的な物理現象を記述する力学です。
    • 量子力学は、量子物理学、量子論、行列力学とも呼ばれています。
  • 量子のもつれは、多体間の相関やそれに関わる現象を指しています。
  • 量子光学は、光のふるまいを研究する分野です。より具体的には、光子を扱います。
  • 量子トンネリング(または量子トンネル、量子トンネル現象)は、エネルギー的に通常は超えることのできない領域を粒子が一定の確率で通り抜けてしまう現象のことを指しています。
  • 量子電磁力学(量子電気力学とも)は、特殊相対性理論と量子力学を上手く組み合わせたような研究分野です。

すべての量子論が実体を持つわけではありません。たとえば、量子重力理論は、量子力学の観点から重力を記述しようとする仮説ですが、まだ実証されていません。

ボース粒子とフェルミ粒子は、インドの理論物理学者のサティエンドラ・ナート・ボース(Satyendra Nath Bose)と、イタリアの理論物理学者で実験物理学者のエンリコ・フェルミ(Enrico Fermi)にちなんで名付けられた亜原子粒子です。

ハドロンと呼ばれる3番目のクラスは、2つ以上のクォークからなる複合粒子です。ハドロンはボース粒子とフェルミ粒子間のすき間を埋めます。

クォークは別の種類の素粒子で、クォークは標準模型において唯一、四つの基本的な力すべての影響を受ける素粒子のグループです。

基本的な力とは、電磁力、重力、強い力および弱い力です。

物理学の領域を説明する用語は他にもたくさんあります。少し掘り下げて、新たな発見をしてみるのはいかがでしょうか

上記の説明ではちらほら学者の名前が出てきましたね。そこで、私たちの世界をより良く理解するのに貢献した、偉大な物理学者について話しましょう!

有名な物理学者

アルバート・アインシュタインは現代物理学の父であると多くの人が考えていますが、実際には古典物理学のドンです!ソース:Pixabay Credit: Barbara A Lane

現代文化は有名人をもてはやす文化だと言われていますが、それが本当なら、有名な物理学者の名前も知っておいて損はないでしょう!

物理学はルネッサンス時代に学問分野として確立されましたが、物理的な世界の本質についての研究はそれ以前から行われていました。

ガリレオ(Galileo)は宇宙論の研究を大きく前進させましたが、最初の近代科学者の称号にふさわしいのは、16世紀のイギリスの医師・物理学者のウィリアム・ギルバート(William Gilbert)でしょう(たとえ彼の長年信じられてきたいくつかの理論は正しくないことが後年証明されてしまったとしても)。

ウィリアム・ギルバートは、しっかりとした実験の必要性を説き、議論の正統性を論証しました。

それまでは、物理学者たちは実験なき理論に自己満足し、再現性のある理論に定式化せずに机上の空論をもてあそんでいました。

ギルバートが予想や哲学的見解を避ける姿勢を見せたことで、他の科学者たちは彼の精神に追随し、科学としての物理学は飛躍的に進歩しました。

今日でも、彼の研究哲学は、物理学者から普く支持されています。

アメリカのアラン・グース(Alan Guth)は理論物理学者で、素粒子理論の研究により、ビッグバンが起こった理由に光明を差し込みました。実際、彼はインフレーション理論(宇宙は膨張しているとする理論)を開拓した第一人者です。

数理物理学の教授であるエドワード・ウィッテン(Edward Witten)は、数理物理学の分野の中でも特に、超弦理論と量子重力の研究を行っています。

イギリスのロジャー・ペンローズ(Roger Penrose)は、偉大なスティーブン・ホーキング(Stephen Hawking)博士の先生です。生徒のホーキング博士が先生を凌駕したことは決してありませんでした。それどころか長く続いた共同研究を楽しみながら、その途上でウルフ賞を共同受賞することになりました。

物理学の分野は女性の研究者の数が男性の研究者よりも圧倒的に少ないにもかかわらず、女性は科学の発見と進歩に関しては男性とそん色ない功績を残してきました。

天体物理学者のジョスリン・ベル・バーネル(Jocelyn Bell Burnell)がまだ大学院生だった頃、パルサーを観察し記録した初めての人となりました。その発見により、彼女はノーベル物理学賞を受賞しました。

素粒子物理学者のファビオラ・ジャノッティ(Fabiola Gianotti)は欧州原子核研究機構(CERN)で女性としては初めて所長に就任し、ヒッグス粒子を初めて観測したATLASプロジェクトのリーダーでした。

アメリカの天体物理学者のサンドラ・フェイバー(Sandra Faber)は、銀河がどのように発展したかについて集中的に研究しました。彼女は、銀河が明るければ明るいほど、その中の星は速く移動しているはずだとする仮説を立てた最初の人でした。

理論を提唱することで、そして発見を通して、宇宙の神秘をひも解いてきた偉人はたくさんいます。他にどのような人がいたか、もっと調べてみませんか

物理学の重要な概念

物理学者がどれほどの名声を博していても、またどれほどの偉業を成し遂げたとしても、物理的な法則と発見はどれも一握りの同じ基本概念に基づいています。

少し宇宙について考えてみましょう。宇宙は広大で、未だに拡大し続け、エネルギーと物質で充満しています。宇宙自体が圧倒的な概念かもしれません。結局、宇宙はとてつもなく大きく、私たちがまだ知らないことだらけです!

けれども、宇宙の物理学を支配する同じ力が素粒子にもあてはまります。

それらは重力、電磁力、弱い力、そして強い力という4つの力です。

これらの力は物質の外にあり、物質を引き付けるか反発させるか、または結合するか創造するかで働きかけます。

「力」と「エネルギー」を混同しないようにすることが重要です。あらゆる物がエネルギーを持っています。それは位置エネルギー(力学でのポテンシャルエネルギー)、運動エネルギー、弾性エネルギー、そして放射エネルギーです。

波はエネルギーを運んでいます!

音波、マイクロ波、地震波、重力波はどれもエネルギー輸送現象です。

特に興味深いのは、輸送するのはエネルギーであって、物質ではないという点です。

理解するための後ろ盾として、数理物理学の先生を雇いませんか?

重力波は、私たちの世界で最もエネルギッシュなプロセスから生み出され、時空に沿って波打って伝わるため、特に不可思議な波です。

1916年にアルバート・アインシュタイン(Albert Einstein)博士が予測していたにもかかわらず、そのような波が発見されたのはごく最近(正確には2016年)です。

実際のところ、物理学の重要な概念を習得するのは難しくありません。一度習得すれば、理論物理学、実験物理学、さらには今日物理学の分野で最も活発に研究されている分野の一つ、凝縮系物理学でさえ研究することができます。

ビックリするような物理学の事実

これらの度肝を抜かれるような事実を知ることで、物理学の世界に一歩足を踏み出す敷居が低くなるでしょう!ソース:Pixabay Credit: Geralt

物理学がまだ難しいテーマだとお思いですか?これまで紹介したことに触れても、物理学を勉強するのに気が進みませんか?

スターウォーズのストーリーも、科学にまつわる事実ほどにはSFではないと言ってもピンと来ないでしょうか?宇宙をかけめぐり、フォース(力)を操るスターウォーズには少なくとも現代科学の側面が見え隠れしているのですが・・・。

現在の宇宙論のモデルは無限のパラレルワールド(異世界)をも包含し、すべて横一線で発展していっています。

その世界は無限大であるため、ある宇宙で起きたであろうこと、そしてこれから起きるだろうことが、別の宇宙では既に起きていたりするのです。このパラレルワールド、どこかの小説か映画で見たり聞いたりしたことはありませんか?

時空を超えたり、現実世界の中に別世界につながる穴が空いていたりする話に興味は湧きませんか?

医者の超音波診断装置でさえ物理的仮説を立てる装置です。正しい周波数に設定すると、そのような装置でさえ分子の反応の仕方を変えることだってできるのです。

物事を連続する事象の一面と捉えることで、物理学の法則を見出すこともできるのです(それはとっても楽しいことじゃありませんか)!

ではプラズマについて考えてみましょう。プラズマは人体を通り、空間を埋めています。プラズマは、高画質のプラズマテレビにだってなれるのです!

プラズマは物質の4つの基本的な形態のうちの1つです。他の3つは液体、固体、そして気体(物質の三態)です。

プラズマはギリシャ語で、成形可能な物質を意味し、比較的新しい研究分野である医学物理学、工学(半導体製造)、そしてもちろん天体物理学の分野にも独特な形で応用されています。

各分野で「プラズマ」と共通の呼び名を持ってはいますが、身体の中にあるプラズマは太陽のプラズマとはまったく違いますよ!どのプラズマも同じ構造を持っていたとしたら、私たち全員が太陽フレア(太陽の爆発現象)のように爆発してしまうでしょう!

紛らわしいところもありますが、それでもプラズマ物理学は最も興味深い研究分野の一つです

私たちが生活する物理的な世界には非常に魅力的で驚くべき側面がたくさんあり、自分が興味を見出せるかもしれない分野が数多くあります。分子物理学から応用物理学、計算物理学から高エネルギー物理学まで、あなたならどの分野に情熱を注ぎますか?

興味を宇宙に打ちあげましょうか、それとも空について研究しましょうか?それとも素粒子物理学がワクワクする分野ですか?はたまた子供の頃から、世界最大の衝突型円形加速器、大型ハドロン衝突型加速器で原子がぶつかり合う様子を夢見ていなかったでしょうか?

物理学をひも解く恐怖心を拭い去るだけで、門が開かれます。門が開いた後は、文字通り無限大に広がる世界が研究アリーナです

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