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物理学用語集

作成者 Atsushi、公開日 01/07/2019 Blog > アカデミック > 物理学 > 物理学用語集

学生が物理学に対して抱く恐怖を悪化させている原因の一つは専門用語です。高尚な科学者はほんの数語を語るだけで、独特な世界の言葉を語っているかのように聞こえます。

稀有な例として、スティーブン・ホーキング(Stephen Hawking)博士は著書『ホーキング、宇宙を語る』で、日常用語を使って世界に対して宇宙について語りかけました。

けれども実際には、物理学の用語は重要な用語や単語グループを知っていれば実はそれほど難しくありません。

そこで、Superprofが物理学の専門用語を分かりやすく説明します!

辞書で単語を引いても、定義こそ載ってはいるものの、科学的な文脈でそれが何を意味するのかについては詳しくは書かれていません。そこで、各用語を脚色して、それが何を意味するのかについて理解できるようお伝えできればと思います。

説明する過程で追加情報を加味することで、各用語が物理学の文脈でどう使われているかが分かるようにします。

古典物理学と現代物理学

ニュートンのゆりかごは運動量保存則という古典的な理論を実演しています。ソース:Pixabay Credit: 849356

物理学は、古典物理学と現代物理学という2大柱に分類されます。それらを区別する分水嶺は非常に明快です。

1900年より前の発見は、それが何であっても一般的に古典物理学とみなされます。逆に1900年以降に確立された理論や考えは、それがたとえ古典的な理論に基づいていたとしても、それが研究や議論を未踏の領域に導いている限り、現代物理学とみなされます。

古典物理学の研究に従事し、それを学ぶことを志しているなら、次の分野に触れることでしょう。

  • 古典力学:惑星、星、銀河など、裸眼で見える物体の研究と分析。
  • ニュートンの運動法則は、物体とそれに作用する力の間の相関関係について説明しています。
  • 熱力学:エネルギーと力学的な仕事に関わる熱を扱う分野(ここでいう「仕事」は、お金を稼ぐ仕事ではありませんよ!)
  • アインシュタインの相対性理論:特殊相対性理論と一般相対性理論
  • カオス理論

カオス理論の原理を把握するための最善の方法は、恐らくそれを実際の文脈の中に当てはめてみることでしょう。そのために、天気予報が恰好の題材になります。

一見すると、天気は非常にランダムのように見えます。雨が降ったかと思うと、次の日にはカラッと晴れたりします。気持ちのいい気温で過ごしたかと思うと、温度が急に下がって厚手の靴下やコートを急いで取り出さないといけない、ということもよくあります。

これらの天候の変化は予測できないように見えますが、それにはパターンがあり、複数の要因で突き動かされています。

天気は、湿気や気流の影響を受けながら、刻々と変化する動的なシステムであると捉えられます。

初期条件に敏感に反応する動的システムでは、数学を使用してその動作を経時的に分析することで、将来の動きを予測することができます。

けれども、数学者のエドワード・ローレンツ(Edward Lorenz)が言ったように、「現在は未来を決定するが、おおまかな現在から未来がおおまかに見えてくることはない」のです。

何か理解できないところがあるでしょうか?そんな時、数学や物理学の先生が力を貸してくれますよ!

それが、カオス理論の定義です。

古典物理学に関連する他の面白い物理的事実を見つけてみましょう!

一見ランダムなカオスの中にも、繰り返しのパターンがあります。ソース:Pixabay Credit: Ninocare

現代物理学についてはどうですか?

古典物理学は、理論が発見されたときの技術と知識に限界があったため、説明に深さがありませんでした。その根拠は、量子力学やアインシュタインの相対性理論ガリレイの相対性原理とは対照的に)といった現代的な理論によってのみ証明できます。

現代物理学は本質的に極端な物事を扱います。極小粒子、物質の性質や非常に大きな局面(超長距離にあるもの、または超高速に動く物を含めて)。

「中間」と呼ばれるものは、通常古典物理学の守備範囲に含まれます。

この違いを説明するのに適した方法は、気体の態様を考えてみることです。摂氏0度で行われる研究は古典物理学のテーマになるかもしれませんが、同じガスでも絶対零度の摂氏-273.15度で行われる研究は、現代物理学の研究者なら誰でも関心を寄せることでしょう。

絶対零度は、熱がまったくないことを表します。それは熱力学的温度スケールの下限です。

物理学を専攻している学生なら、自分自身を古典物理学を勉強している、あるいは現代物理学を勉強しているとは言わないでしょう。なぜなら現代物理学は古典的な理論に大きく依存しているからです。

クラシック(古典)ピアノを演奏するか、モダン(現代)なジャズピアノを演奏するかを選ばなくてはならない音楽の世界とは違い、物理学の世界では古典物理学を研究するか、現代物理学を研究するかを選ぶ必要はありません。

けれども、大志を抱く物理学の専攻者として、あなたはどの物理学の分野を極めたいかを選ぶことができます。

物理学の分野のいくつかを以下見ていきましょう。

そうそう、私たちの先輩物理学者とその発見ものぞいてみてください!

物理学の種類

ビッグバン理論に情熱を傾けたいなら、理論物理学者になるためにシェルドン・クーパー(Sheldon Cooper)の足跡をたどりたいと思うかもしれません。そうするには、理論の結果を予測するために数学の方程式を使う必要が出てくるでしょう。

けれども、レオナルド・ダ・ヴィンチ(Leonardo di ser Piero da Vinci)に傾倒しているなら、実験物理学者になることでその足跡をたどることができます。理論を補完するものとして、実験を実際に行い、結果を記録するのです。

ラジェッシュ・クースラポリ(Rajesh Ramayan “Raj” Koothrappali)は天文物理学者で、宇宙の位置関係や動きではなく、宇宙体の性質を研究しています。

高エネルギー物理学としても知られる素粒子物理学は、物質と放射線を構成する素粒子の研究などを行います。この文脈で言う素粒子は、電子から塵埃まで何でも含まれます。

応用物理学では、新しい技術を開発するのを助けたり、そのような開発に関して厄介な工学的な問題を解決するのを助けたりすることができます。そう、この物理学の分野は、科学的研究と工学をつなぐ橋渡し役を務めます。

生物物理学では、物理学で用いられる分析手法を借用して、あらゆる生物学的現象を研究します。

原子物理学:科学の教科書の中で原子価や電子でつなげられた幾何学的な化学式を見たことはあるでしょう。それらは原子の組成と構造を研究する原子物理学者が考案したものです。

原子物理学(atomic physics)と原始核物理学(nuclear physics)は、英語の「atomic」と「nuclear」という単語は同義語として使われているにもかかわらず、異なる学問分野です。

原始核物理学は原子の核とどっぷり関係しています。病院でMRIを受けたことはありませんか?MRI、ポジトロン断層法(PET)、その他の分光法といった核医学は、原始核物理学の発見を通して生まれました!

物性物理学では、さまざまな物理法則を使用して固体と液体の態様を研究します。

物性物理学の研究分野は、いわば理論物理学、素粒子物理学、それに化学と関係するナノテクノロジー、さらに以前は固体物理学として知られていたさまざまな分野が顔を出す交差点です。

それはまた、膨大な物質の種類と研究対象の幅広さから、現代物理学で最も活発な研究分野の1つに数えられています。

クォークは何やらスイーツの一種のような名前ですが、上記は物理学者がクォークを考えるときに思い浮かべるイメージではありません!ソース:Pixabay Credit: RitaE

一般的な物理学用語集

物理学にはどのような分野があるかご紹介したところで(学生ならその中に専攻したい分野を見出したかもしれません)、この分野で使用される用語を掘り下げてみましょう。中には馴染み深い用語もあるかもしれません!

クォーク:時計の一部分のようにも聞こえるかもしれませんが、物理学では素粒子を意味します。

ただし、一筋縄ではいかないのは、クォークには6種類あるところです(フレーバーと呼ばれます)。すなわち、第一世代のアップ、ダウン、第二世代のチャーム、ストレンジ、および第三世代のトップ、ボトムです。ただフレーバーと言っても、噛んだら味が出るわけではありませんよ!

物理・数学の先生を探してみましょう。

クォークは単体で存在できず、常に数個のクォークが集まって構成されています。1アップ/2ダウン、2トップ/1ボトムなどです。

ハドロン強い力によって共に保持される2つ以上のクォークです。

ハドロン、ボース粒子とフェルミ粒子を耳にすると、それが亜原子粒子のクラスを表すことはもうお分かりですね?

フランスとスイスの国境をまたがるように設置された大型ハドロン衝突型加速器(LHC)について聞いたことはありませんか?これで、LHCの名前の由来がわかりましたね!

ニュートリノは原子の中で一番速い中性子ではありません。それは電荷持たず、非常に小さな質量を持つ素粒子です。ニュートリノは光速に近い速さで、非常に速く移動します!

量子という言葉は、物理分野の離散的な分野の研究(量子色力学、QCD)を記述するところから、場の量子論のような物理学全体を描くところまで使われる、物理学の頻出用語です。

量子は、それ自体で使用される場合、あらゆるものに分割できる最小の単位を表します。量子レベルでは、たとえば同位体元素が取り得る形態の一つです。2つ以上の元素が同じ数の陽子を持つ場合がありますが、核内の中性子の数が異なります

おそらくそのような元素で最も有名なものはウラン235で、中性子が3つ少ないという点でウラン238と異なります(これらは両方ともウランとして識別される元素ではありますが)。ウラン235は原子力発電所や核兵器の製造に使用されています。

は海が生み出すもの(または手で水をかいて作り出すもの)と考える向きがありますが、物理学者は波を物質や空間を通してエネルギーを伝達する乱れと捉えます。

波は、本質的に固定された場所の周辺で発生する、物理的媒体または場の振動です。波には主に、力学的な波と電磁波という2種類の波があります。

電子レンジが出す波の種類を推測することができますか?

分かりやすいように、物理学の重要な概念を簡単にまとめたので、いつでもご参照ください!

理論物理学、天体物理学やプラズマ物理学など、どの分野を専攻するにせよ、努力を積み重ねれば、将来新たな重要な元素や粒子を発見して命名できるチャンスがあるかもしれません。未来の教え子たちに、自分の名前をしっかり覚えてもらえるように!

ヒッグス粒子の他に、自分の名前を付けたい人はいますか?

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