物理

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物理現象のさまざまな例
上のシリーズの一部
物理
3つのボーア模型軌道と定型化された核を持つ定型化された原子.png
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物理学は、物質、[a]その基本的な構成要素、時空を通じたその運動と行動、およびエネルギーと力の関連する実体を研究する自然科学です。[2]物理学は、最も基本的な科学分野の1つであり、その主な目標は、宇宙がどのように振る舞うかを理解することです。[b] [3] [4] [5]

物理学は最も古い学問分野の1つであり、天文学を含めることで、おそらく最も古いものです。[6]過去2千年の大部分にわたって、物理学、化学、生物学、および数学の特定の分野は自然哲学の一部でしたが、17世紀の科学革命の間に、これらの自然科学はそれ自体で独自の研究努力として出現しました。 。[c]物理学は、生物物理学や量子化学など、多くの学際的な研究分野と交差しています。、および物理学の境界は厳密に定義されていません。物理学の新しいアイデアは、他の科学によって研究された基本的なメカニズムを説明し[3] 、数学や哲学などの学問分野における研究の新しい道を示唆することがよくあります。

物理学の進歩はしばしば新しい技術の進歩を可能にします。たとえば、電磁気学、固体物理学、および核物理学の理解の進歩は、テレビ、コンピューター、家庭用電化製品、核兵器など、現代社会を劇的に変革した新製品の開発に直接つながりました。[3]熱力学の進歩は、工業化の発展につながりました。力学の進歩は微積分の開発に影響を与えました。

歴史

「物理学」という言葉は古代ギリシャ語から来ています：φυσική（ἐπιστήμη）、ローマ字：  physikḗ（epistḗmē）、「自然の知識」を意味します。[8] [9] [10]

古代の天文学

古代エジプトの天文学は、エジプト第18王朝のセネムットの墓の天井のような記念碑で明らかです。

天文学は最も古い自然科学の1つです。紀元前3000年以前にさかのぼるスメリアン、古代エジプト人、インダスバレー文明などの初期の文明は、太陽、月、星の動きについて予測的な知識と基本的な認識を持っていました。神々を表すと信じられている星や惑星は、しばしば崇拝されていました。観測された星の位置の説明はしばしば非科学的で証拠が不足していましたが、これらの初期の観測は、星が空を横切る大円を横断することがわかったため、後の天文学の基礎を築きました[6]。惑星の位置。

Asger Aaboeによると、西洋の天文学の起源はメソポタミアにあり、精密科学におけるすべての西洋の努力は後期バビロニアの天文学に由来しています。[11] エジプトの天文学者は、星座と天体の動きについての知識を示す記念碑を残しました[12]一方で、ギリシャの詩人ホメロスは、彼のイリアドとオデッセイでさまざまな天体について書いています。後にギリシャの天文学者は、北半球から見えるほとんどの星座に、今日でも使用されている名前を付けました。[13]

自然哲学

自然哲学は、タレスのようなソクラテス以前の哲学者が自然現象の非自然主義的な説明を拒否し、すべての出来事には自然の原因があると宣言したアルカイック時代（紀元前650年〜紀元前480年）のギリシャに起源があります。[14]彼らは理性と観察によって検証されたアイデアを提案し、彼らの仮説の多くは実験で成功したことが証明された。[15]たとえば、原子論は、レウキッポスと彼の弟子であるデモクリトスによって提案されてから約2000年後に正しいことがわかった。[16]

中世ヨーロッパとイスラム

西ローマ帝国は5世紀に崩壊し、その結果、ヨーロッパ西部での知的探求は衰退しました。対照的に、東ローマ帝国（ビザンチン帝国としても知られている）は野蛮人からの攻撃に抵抗し、物理学を含むさまざまな学習分野を進歩させ続けました。[17]

6世紀に、ミレトスのイシドールはアルキメデスパリンペストにコピーされたアルキメデスの作品の重要な編集物を作成しました。

イブン・アル・ハイサム（アルハーゼン）の絵
Ibn al-Haytham（c。965–c。1040）、Book of Optics Book I、[6.85]、[6.86]。ブックII、[3.80]は、彼のカメラオブスクラ実験について説明しています。[18]

6世紀のヨーロッパでは、ビザンチンの学者であるジョン・フィロポヌスがアリストテレスの物理学の教えに疑問を呈し、その欠陥に注目しました。彼は推進力の理論を紹介しました。アリストテレスの物理学は、ピロポノスが現れるまで精査されませんでした。物理学を口頭での議論に基づいていたアリストテレスとは異なり、ピロポノスは観察に依存していました。アリストテレスの物理学について、ピロポノスは次のように書いています。

しかし、これは完全に誤りであり、私たちの見解は、いかなる種類の口頭での議論よりも実際の観察によってより効果的に裏付けられる可能性があります。同じ高さから、一方が他方の何倍も重い2つのウェイトを落下させると、モーションに必要な時間の比率はウェイトの比率に依存しないが、その差がわかります。時間内に非常に小さいものです。したがって、重量の差が大きくない場合、つまり、一方が他方の2倍である場合、重量の差は次のようになりますが、時間の差はありません。決して無視できるものではなく、一方の体の重さはもう一方の体の2倍です[19]。

アリストテレスの物理学の原理に対するピロポノスの批判は、10世紀後の科学革命[20]の間にガリレオガリレイにインスピレーションを与えました。ガリレオは、アリストテレス物理学に欠陥があると主張したとき、彼の作品の中で実質的にピロポノスを引用しました。[21] [22] 1300年代、パリ大学の芸術学部の教師であるジャン・ブリダンは、推進力の概念を開発しました。それは慣性と勢いの現代的な考えへの一歩でした。[23]

イスラム学はギリシャ人からアリストテレス物理学を継承し、イスラム黄金時代にそれをさらに発展させ、特に観察と先験的推論に重点を置き、科学的方法の初期の形態を発展させました。

ピンホールカメラの基本的な仕組み

最も注目すべき革新は、光学と視覚の分野であり、イブン・サフル、アル・キンディー、イブン・アル・ハイサム、アルファリシ、アビセンナなどの多くの科学者の研究から生まれました。最も注目に値する作品は、イブン・アル・ハイサムによって書かれた光学の書（Kitābal-Manāẓirとしても知られています）で、彼は視覚に関する古代ギリシャの考えを決定的に反証しましたが、新しい理論も考案しました。本の中で、彼はカメラオブスクラ（彼の千年前のピンホールカメラのバージョン）の現象の研究を発表しました）そして目自体が機能する方法をさらに掘り下げました。解剖と以前の学者の知識を使用して、彼は光がどのように目に入るかを説明し始めることができました。彼は光線の焦点が合っていると主張しましたが、目の後ろにどのように光が投射されるかについての実際の説明は1604年まで待たなければなりませんでした。[24]

7巻の光学の書（Kitab al-Manathir ）は、600年以上にわたって、視覚の理論から中世美術の遠近法の性質まで、さまざまな分野の思考に大きな影響を与えてきました。ロバート・グロステストやレオナルド・ダ・ヴィンチからルネ・デカルト、ヨハネス・ケプラー、アイザック・ニュートンまで、後のヨーロッパの学者や博学者の多くが彼の借金を負っていました。実際、イブン・アル・ハイサムの光学の影響は、700年後に出版された同じタイトルのニュートンの作品の影響と並んでいます。

光学の書の翻訳はヨーロッパに大きな影響を与えました。それから、後のヨーロッパの学者は、イブン・アル・ハイサムが構築したものを複製したデバイスを構築し、光のしくみを理解することができました。このことから、眼鏡、拡大鏡、望遠鏡、カメラなどの重要な発明が開発されました。

クラシック

ガリレオガリレイは、数学、理論物理学、実験物理学の間の適切な関係について現代的な評価を示しました。
アイザックニュートン卿（1643–1727）、その運動の法則と万有引力は古典物理学の主要なマイルストーンでした

近世のヨーロッパ人が実験的および定量的な方法を使用して、現在物理学の法則と見なされているものを発見したとき、物理学は別の科学になりました。[25] [必要なページ]

この時期の主な進展には、太陽系の天動説の地動説コペルニクスモデルへの置き換え、惑星体の運動を支配する法則（1609年から1619年の間にケプラーによって決定された）、望遠鏡に関するガリレオの先駆的な研究、および16世紀と17世紀、そしてニュートンの運動と万有引力の法則の発見と統一（それは彼の名前を冠するようになるでしょう）。[26]ニュートンは微積分も開発した[d]物理的な問題を解決するための新しい数学的方法を提供する変化の数学的研究。[27]

熱力学、化学、および電磁気学における新しい法則の発見は、エネルギー需要が増加するにつれて、産業革命の間のより大きな研究努力から生じました。[28]古典物理学を構成する法則は、非相対論的速度で移動する日常のスケールのオブジェクトに非常に広く使用されています。これは、そのような状況で非常に近い近似を提供し、量子力学や相対性理論などの理論が古典に単純化されるためです。そのようなスケールでの同等物。ただし、古典力学の不正確さ非常に小さな物体と非常に高い速度のために、20世紀の現代物理学の発展につながりました。

モダン

量子力学理論の創始者、マックス・プランク（1858–1947）
アルバート・アインシュタイン（1879–1955）は、光電効果と相対性理論に関する研究が20世紀の物理学に革命をもたらしました。

現代物理学は、量子論におけるマックス・プランクとアルバート・アインシュタインの相対性理論の研究から20世紀初頭に始まりました。これらの理論は両方とも、特定の状況での古典力学の不正確さのために生まれました。古典力学は光速の変化を予測しましたが、これはマクスウェルの電磁気方程式によって予測された一定の速度では解決できませんでした。この不一致は、アインシュタインの特殊相対性理論によって修正されました。これは、動きの速い物体の古典力学に取って代わり、一定の光速を可能にしました。[29] 黒体放射古典物理学に別の問題を提供しました。これは、プランクが材料発振器の励起がそれらの周波数に比例する離散ステップでのみ可能であると提案したときに修正されました。これは、光電効果と電子軌道の離散エネルギー準位を予測する完全理論とともに、非常に小さなスケールで古典物理学から引き継ぐ量子力学の理論につながりました。[30]

量子力学は、ヴェルナー・ハイゼンベルク、エルヴィン・シュレーディンガー、ポール・ディラックによって開拓されるようになるでしょう。[30]この初期の研究、および関連分野での研究から、素粒子物理学の標準模型が導き出された。[31] 2012年のCERNでのヒッグス粒子と一致する特性を持つ粒子の発見に続いて[32]標準模型によって予測されたすべての基本粒子が存在し、他には存在しないようです。しかし、超対称性などの理論を持つ標準模型を超える物理学は活発な研究分野です。[33]確率やグループの研究など、数学の分野はです。

哲学

多くの点で、物理学は古代ギリシャの哲学に由来しています。タレスの最初の物質の特徴づけの試みから、物質が不変の状態に還元されるべきであるデモクリトスの推論、結晶大空のプトレマイオス天文学、およびアリストテレスの本物理学（物理学に関する初期の本。哲学的観点から）、さまざまなギリシャの哲学者が独自の自然理論を発展させました。物理学は18世紀後半まで自然哲学として知られていました。[e]

19世紀までに、物理学は哲学や他の科学とは異なる分野として実現されました。物理学は、他の科学と同様に、科学哲学とその「科学的方法」に依存して、物理世界の知識を進歩させます。[35]科学的方法は、与えられた理論の妥当性を測定するために、先験的推論と事後的推論、およびベイズ推定の使用を採用しています。[36]

物理学の発展は初期の哲学者の多くの質問に答えましたが、新しい質問も提起しました。物理学を取り巻く哲学的問題、物理学の哲学の研究には、空間と時間の性質、決定論、経験論、自然主義、現実主義などの形而上学的展望などの問題が含まれます。[37]

多くの物理学者は、彼らの研究の哲学的意味について書いています。例えば、因果的決定論を擁護したラプラス[38]や、量子力学について書いたシュレーディンガーなどです。[39] [40]数学物理学者のロジャー・ペンローズはスティーブン・ホーキングによってプラトニストと呼ばれていた[ 41]。ペンローズが彼の著書「現実への道」で論じている見解。[42]ホーキングは自分自身を「恥知らずな還元主義者」と呼び、ペンローズの見解に異議を唱えた。[43]

コア理論

物理学は多種多様なシステムを扱いますが、特定の理論がすべての物理学者によって使用されています。これらの理論のそれぞれは、何度も実験的にテストされ、自然の適切な近似であることがわかりました。たとえば、古典力学の理論は、オブジェクトが原子よりもはるかに大きく、光速よりもはるかに遅い速度で移動する場合、オブジェクトの動きを正確に記述します。これらの理論は、今日も活発な研究分野です。古典力学の注目すべき側面であるカオス理論は、ニュートン（1642–1727）による古典力学の最初の定式化から3世紀後の、20世紀に発見されました。

これらの中心的な理論は、より専門的なトピックを研究するための重要なツールであり、専門分野に関係なく、物理学者はそれらに精通していることが期待されます。これらには、古典力学、量子力学、熱力学と統計力学、電磁気学、および特殊相対性理論が含まれます。

クラシック

古典物理学には、20世紀の初めまでに認識され、十分に開発された、古典力学、音響学、光学、熱力学、電磁気学などの伝統的な分野やトピックが含まれます。古典力学は、力が作用する物体と運動中の物体に関係しており、静力学（物体にかかる力の研究）、運動学（原因に関係なく運動の研究）、およびダイナミクス（運動とそれに影響を与える力の研究）; 力学は、固体力学と流体力学に分けることもできます（連続体力学として一緒に知られています）、後者には、静水力学、流体力学、空気力学、および空気圧などのブランチが含まれます。音響学は、音がどのように生成され、制御され、送信され、受信されるかについての研究です。[44] 音響学の重要な現代の分野には、人間の可聴範囲を超える非常に高い周波数の音波の研究である超音波が含まれます。生物音響学、動物の鳴き声と聴覚の物理学[45]と電気音響学、電子機器を使用した可聴音波の操作。[46]

光の研究である光学は、可視光だけでなく、赤外線や紫外線にも関わっています。これらは、光の反射、屈折、干渉、回折、分散、偏光など、可視光以外のすべての可視光の現象を示します。 。熱はエネルギーの一形態であり、物質を構成する粒子が持つ内部エネルギーです。熱力学は、熱と他の形態のエネルギーとの関係を扱います。電気と磁気は、19世紀初頭にそれらの間の密接な関係が発見されて以来、物理学の単一の分野として研究されてきました。と電流は磁場を発生させ、磁場の変化は電流を誘導します。静電学は静止している電荷を扱い、電気力学は移動電荷を扱い、静磁気学は静止している磁極を扱います。

モダン

現代物理学

多様体ダイナミクス：シュレディンガー方程式とクライン-ゴルドン方程式
創設者
Max Planck  · Albert Einstein  · Niels Bohr  · Max Born  · Werner Heisenberg  · Erwin Schrödinger  · Pascual Jordan  · Wolfgang Pauli  · Paul Dirac  · Ernest Rutherford  · Louis de Broglie  · Satyendra Nath Bose
コンセプト
Topology · Space · Time · Energy · Matter · Work
Randomness · Information · Entropy · Mind
Light · Particle · Wave
ブランチ
Applied · Experimental · Theoretical
Mathematical  · Philosophy of physics
Quantum mechanics (Quantum field theory · Quantum information · Quantum computation)
Electromagnetism ·
Weak interaction · Electroweak interaction
Strong interaction
Atomic · Particle · Nuclear
Atomic, molecular, and optical
Condensed matter · Statistical
Complex systems · Non-linear dynamics · Biophysics
Neurophysics
Plasma physics
Special relativity · General relativity
Astrophysics · Cosmology
Theories of gravitation
Quantum gravity · Theory of everything
科学者
Witten · Röntgen · Becquerel · Lorentz · Planck · Curie · Wien · Skłodowska-Curie · Sommerfeld · Rutherford · Soddy · Onnes · Einstein · Wilczek · Born · Weyl · Bohr · Kramers · Schrödinger · de Broglie · Laue · Bose · Compton · Pauli · Walton · Fermi · van der Waals · Heisenberg · Dyson · Zeeman · Moseley · Hilbert · Gödel · Jordan · Dirac · Wigner · Hawking · P. W. Anderson · Lemaître · Thomson · Poincaré · Wheeler · Penrose · Millikan · Nambu · von Neumann · Higgs · Hahn · Feynman · Yang · Lee · Lenard · Salam · 't Hooft · Veltman · Bell · Gell-Mann · J. J. Thomson  · Raman · Bragg · Bardeen · Shockley · Chadwick · Lawrence · Zeilinger · Goudsmit · Uhlenbeck
カテゴリ
Modern physics

古典物理学は一般に、通常の観測スケールでの物質とエネルギーに関係していますが、現代物理学の多くは、極端な条件下または非常に大規模または非常に小規模な物質とエネルギーの振る舞いに関係しています。たとえば、原子核物理学は、化学元素を特定できる最小のスケールで問題を研究します。素粒子の物理学は、物質の最も基本的な単位に関係しているため、さらに小規模です。この物理学の分野は、素粒子加速器で多くの種類の粒子を生成するために必要な非常に高いエネルギーのため、高エネルギー物理学としても知られています。。このスケールでは、空間、時間、物質、およびエネルギーの通常の常識的な概念はもはや有効ではありません。[47]

現代物理学の2つの主要な理論は、古典物理学によって提示されたものとは異なる、空間、時間、および物質の概念の図を提示します。古典力学は自然を連続的なものとして近似しますが、量子論は原子および亜原子レベルでの多くの現象の離散的な性質と、そのような現象の説明における粒子と波の補完的な側面に関係しています。相対性理論は、観察者に対して動いている基準系で起こる現象の記述に関係しています。特殊相対性理論は、重力場がない場合の運動と、運動との相対性理論および重力との関係に関する一般相対性理論に関係しています。。量子論と相対性理論の両方が、現代物理学のすべての分野で応用されています。[48]

現代物理学の基本的な概念

違い

物理学の基本的な領域

物理学は普遍的な法則を発見することを目的としていますが、その理論は適用可能性の明確な領域にあります。

1927年のソルベイ会議、アルバートアインシュタイン、ヴェルナーハイゼンベルク、マックスプランク、ヘンドリックローレンツ、ニールスボーア、マリーキュリー、エルヴィンシュレーディンガー、ポールディラックなどの著名な物理学者

大まかに言えば、古典物理学の法則は、重要な長さのスケールが原子のスケールよりも大きく、運動が光速よりもはるかに遅いシステムを正確に記述しています。この領域の外では、観測は古典力学によって提供される予測と一致しません。アインシュタインは、絶対時間と空間の概念を時空に置き換え、光速に近い速度のコンポーネントを持つシステムの正確な記述を可能にする特殊相対性理論のフレームワークに貢献しました。Planck、Schrödingerなどは、量子力学を導入しました。これは、粒子と相互作用の確率論的概念であり、原子スケールと亜原子スケールの正確な記述を可能にします。その後、場の量子論統一された量子力学と特殊相対性理論。一般相対性理論は、動的で湾曲した時空を可能にし、それによって、非常に大規模なシステムと宇宙の大規模構造を十分に説明することができます。一般相対性理論はまだ他の基本的な記述と統一されていません。量子重力のいくつかの候補理論が開発されています。

他の分野との関係

この放物線状の溶岩流は、物理学における数学の応用を示しています。この場合、ガリレオの落下体の法則です。
数学とオントロジーは物理学で使用されます。物理学は化学と宇宙論で使用されます。

前提条件

数学は、自然界の秩序を説明するために使用されるコンパクトで正確な言語を提供します。これは、ピタゴラス、[49] プラトン、[50]ガリレオ、[51]、およびニュートン によって注目され、提唱されました。

物理学は数学[52]を使用して、実験結果を整理および定式化します。これらの結果から、正確なまたは推定された解、または定量的な結果が得られ、そこから新しい予測を行い、実験的に確認または否定することができます。物理実験の結果は数値データであり、測定単位と測定誤差の推定値が含まれています。計算のような数学に基づく技術は、計算物理学を活発な研究分野にしています。

数学と物理学の違いは明確ですが、特に数理物理学では必ずしも明白ではありません。

オントロジーは物理学の前提条件ですが、数学の前提条件ではありません。つまり、物理学は最終的に現実世界の記述に関係し、数学は現実世界を超えた抽象的なパターンに関係します。したがって、物理ステートメントは合成であり、数学ステートメントは分析です。数学には仮説が含まれ、物理学には理論が含まれます。数学のステートメントは論理的にのみ真である必要がありますが、物理のステートメントの予測は観測データと実験データと一致する必要があります。

区別は明確ですが、必ずしも明白ではありません。たとえば、数理物理学は物理学における数学の応用です。その方法は数学的ですが、その主題は物理的です。[53]この分野の問題は、「物理的状況の数学的モデル」（システム）と、そのシステムに適用される「物理的法則の数学的記述」から始まります。解くために使用されるすべての数学的ステートメントには、見つけるのが難しい物理的な意味があります。最終的な数学的解は、ソルバーが探しているものであるため、見つけやすい意味を持っています。[説明が必要]

純粋な物理学は、基礎科学（基礎科学とも呼ばれます）の一分野です。物理学は、化学、天文学、地質学、生物学などの自然科学のすべての分野が物理学の法則によって制約されているため、「基礎科学」とも呼ばれます。[54]同様に、化学は、物理科学を結びつける役割があるため、しばしばセントラルサイエンスと呼ばれます。たとえば、化学は物質の特性、構造、反応を研究します（化学は分子および原子スケールに焦点を当てているため、物理学とは区別されます）。粒子が互いに電気力を及ぼし、特性には特定の物質の物理的特性が含まれ、反応はエネルギー、質量、電荷の保存などの物理法則に拘束されるため、構造が形成されます。物理学は、工学や医学などの産業に適用されます。

アプリケーションと影響

音響ディフューザーから反射する音の音響工学モデルに実装された古典物理学
アルキメデススクリュー、持ち上げるための簡単な機械
レーザーを使った実験

応用物理学は、特定の用途を目的とした物理学研究の総称です。応用物理学のカリキュラムには通常、地質学や電気工学などの応用分野のいくつかのクラスが含まれています。応用物理学者は特に何かを設計しているのではなく、新しい技術の開発や問題の解決を目的として物理学を使用したり、物理学の研究を行ったりしているという 点で、通常は工学とは異なります。

アプローチは応用数学のアプローチと似ています。応用物理学者は、科学研究で物理学を使用します。たとえば、加速器物理学に取り組んでいる人々は、理論物理学の研究の ためにより良い粒子検出器を構築しようとするかもしれません。

物理学は工学で多用されています。たとえば、力学のサブフィールドである静力学は、橋やその他の静的構造物の構築に使用されます。音響の理解と使用は、サウンドコントロールとより良いコンサートホールをもたらします。同様に、光学系を使用すると、より優れた光学デバイスが作成されます。物理学を理解することで、より現実的なフライトシミュレーター、ビデオゲーム、および映画が作成され、法医学調査で重要になることがよくあります。

物理学の法則は普遍的であり、時間とともに変化しないという標準的なコンセンサスにより、物理学は、通常は不確実性に陥るであろうことを研究するために使用することができます。たとえば、地球の起源の研究では、地球の質量、温度、回転速度を時間の関数として合理的にモデル化できるため、時間の前後を推定して、将来または以前のイベントを予測できます。また、新しいテクノロジーの開発を大幅にスピードアップするエンジニアリングのシミュレーションも可能になります。

しかし、かなりの学際性もあるため、他の多くの重要な分野が物理学の影響を受けています（たとえば、経済物理学や社会物理学の分野）。

リサーチ

科学的方法

物理学者は科学的方法を使用して、物理理論の妥当性をテストします。系統的なアプローチを使用して理論の意味を関連する実験や観察から導き出された結論と比較することにより、物理学者は論理的で偏りのない再現可能な方法で理論の妥当性をよりよくテストできます。そのために、理論の妥当性または無効性を判断するために、実験が行われ、観察が行われます。[55]

科学法則は、ニュートンの万有引力の法則など、いくつかの理論の基本原理を表す関係の簡潔な口頭または数学的なステートメントです。[56]

理論と実験

宇宙飛行士と地球は両方とも自由落下しています。
稲妻は電流です。

理論家は、既存の実験と一致し、将来の実験結果をうまく予測できる数学的モデルの開発を目指しています。一方、実験家は、理論的予測をテストし、新しい現象を探索するための実験を考案して実行します。理論と実験は別々に開発されていますが、それらは互いに強く影響し、依存しています。物理学の進歩は、実験結果が既存の理論による説明に反し、適用可能なモデリングに重点を置く場合、および新しい理論が実験的にテスト可能な予測を生成し、新しい実験（および多くの場合関連する機器）の開発を促す場合に頻繁に発生します。[57]

理論と実験の相互作用で働く物理学者は現象学者と呼ばれ、実験で観察された複雑な現象を研究し、それらを基本的な理論に関連付けるために働きます。[58]

理論物理学は歴史的に哲学からインスピレーションを得てきました。電磁気学はこのように統一されました。[f]既知の宇宙を超えて、理論物理学の分野は、平行宇宙、多元宇宙、およびより高い次元などの仮説的な問題も扱います。理論家は、既存の理論に関する特定の問題を解決することを期待して、これらのアイデアを呼び出します。次に、これらのアイデアの結果を調査し、テスト可能な予測を行うために取り組みます。

実験物理学は、工学と技術によって拡大し、拡大しています。基礎研究に携わる実験物理学者は、粒子加速器やレーザーなどの装置を使って実験を設計および実行しますが、応用研究に携わる人は、磁気共鳴画像法（MRI）やトランジスタなどの技術を開発する産業で働くことがよくあります。ファインマンは、実験家は理論家によって十分に調査されていない領域を探すかもし​​れないと述べました。[59]

範囲と目的

物理学では、通常は定量的な理論を使用して自然界をモデル化します。ここでは、粒子の経路を微積分の数学でモデル化して、その振る舞いを説明しています。つまり、力学として知られる物理学の分野の範囲です。

物理学は、素粒子（クォーク、ニュートリノ、電子など）から銀河の最大の超銀河団まで、幅広い現象をカバーしています。これらの現象には、他のすべてのものを構成する最も基本的なオブジェクトが含まれています。そのため、物理学は「基礎科学」と呼ばれることもあります。[54]物理学は、自然界で発生するさまざまな現象をより単純な現象の観点から説明することを目的としています。したがって、物理学は、人間が観察できるものを根本原因に結び付け、次にこれらの原因を結び付けることを目的としています。

たとえば、古代中国人は、特定の岩石（ロードストーンとマグネタイト）が目に見えない力によって互いに引き付けられていることを観察しました。この効果は後に磁気と呼ばれ、17世紀に最初に厳密に研究されました。しかし、中国人が磁気を発見する前でさえ、古代ギリシャ人は琥珀のような他の物体を知っていました。それは毛皮でこすられると、2つの間に同様の目に見えない魅力を引き起こすでしょう。[60]これも17世紀に最初に徹底的に研究され、電気と呼ばれるようになりました。このように、物理学は、いくつかの根本的な原因（電気と磁気）の観点から自然の2つの観察を理解するようになりました。しかし、19世紀のさらなる研究により、これら2つの力は1つの力の2つの異なる側面、つまり電磁気学であることが明らかになりました。この「統一」力のプロセスは今日も続いており、電磁気学と弱い核力は現在、電弱相互作用の2つの側面であると考えられています。物理学は、自然がそのままである理由の究極の理由（万物の理論）を見つけることを望んでいます（詳細については、以下の「現在の研究」セクションを参照してください）。[61]

研究分野

物理学の現代の研究は、原子核物理学と素粒子物理学に大きく分けることができます。物性物理学; 原子、分子、および光学物理学; 天体物理学; 応用物理学。一部の物理学部門は、物理学教育研究と物理学アウトリーチもサポートしています。[62]

20世紀以降、物理学の個々の分野はますます専門化されており、今日、ほとんどの物理学者は、キャリア全体にわたって単一の分野で働いています。アインシュタイン（1879–1955）やレフランダウ（1908–1968）のような、物理学の複数の分野で働いていた「普遍主義者」は、今では非常にまれです。[h]

物理学の主な分野と、それらが採用しているサブフィールドおよび理論と概念を次の表に示します。

分野 サブフィールド 主要な理論 コンセプト
原子核物理学と素粒子物理学 原子核物理学、原子核物理学、素粒子物理学、素粒子物理学、素粒子物理学現象論 標準模型、場の量子論、場の量子論、場の量子力学、電弱理論、有効場の理論、格子場の理論、格子ゲージ理論、ゲージ理論、超対称性、大統一理論、超弦理論、M理論 基本相互作用（重力、電磁、弱い、強い）、素粒子、スピン、反物質、自発的対称性の破れ、ニュートリノ振動、シーソー機構、ブレイン、ストリング、量子重力、万物の理論、真空エネルギー
原子、分子、および光学物理学 原子物理学、分子物理学、原子および分子天体物理学、化学物理学、光学、フォトニクス 量子光学、量子化学、量子情報科学 光子、原子、分子、回折、電磁波、レーザー、偏光（波）、スペクトル線、カシミール効果
物性物理学 固体物理学、高圧物理学、低温物理学、表面物理学、ナノスケールおよびメゾスコピック物理学、高分子物理学 BCS理論、ブロッホの定理、密度汎関数理論、フェルミガス、フェルミ液体論、多体理論、統計力学 相（気体、液体、固体）、ボーズ・アインシュタイン凝縮、電気伝導、フォノン、磁性、自己組織化、半導体、超伝導体、超流動性、スピン、
天体物理学 天文学、天文学、宇宙学、重力物理学、高エネルギー天体物理学、惑星天体物理学、プラズマ物理学、太陽物理学、宇宙物理学、恒星天体物理学 ビッグバン、宇宙のインフレーション、一般相対性理論、ニュートンの万有引力の法則、ラムダ-CDMモデル、電磁流体力学 ブラックホール、宇宙背景放射、宇宙ひも、宇宙、ダークエネルギー、暗黒物質、銀河、重力、重力放射、重力の特異点、惑星、太陽系、星、超新星、宇宙
応用物理学 加速器物理学、音響学、農学物理学、大気物理学、生物物理学、化学物理学、通信物理学、エコノフィジックス、工学物理学、流体力学、地球物理学、レーザー物理学、材料物理学、医学物理学、ナノテクノロジー、光学、オプトエレクトロニクス海洋物理学、計算物理学、プラズマ物理学、固体デバイス、量子化学、量子エレクトロニクス、量子情報科学、ビークルダイナミクス

核と粒子

大型ハドロン衝突型加速器のCMS検出器でシミュレートされたイベントで、ヒッグス粒子の出現の可能性があります。

素粒子物理学は、物質とエネルギーの基本的な構成要素とそれらの間の相互作用の研究です。[63]さらに、素粒子物理学者は、この研究に必要な高エネルギー加速器、 [64]検出器、[65]およびコンピュータプログラム[66]を設計および開発しています。この分野は「高エネルギー物理学」とも呼ばれます。これは、多くの素粒子が自然には発生せず、他の粒子の高エネルギー衝突時にのみ生成されるためです。[67]

現在、素粒子と場の相互作用は標準模型で記述されています。[68]このモデルは、強い、弱い、および電磁的な基本力を介して相互作用する12個の既知の物質粒子（クォークとレプトン）を説明しています。[68]ダイナミクスは、ゲージボソン（それぞれグルーオン、WボソンとZボソン、および光子）を交換する物質粒子の観点から説明されます。[69]標準模型は、ヒッグス粒子として知られる粒子も予測している。[68]2012年7月、ヨーロッパの素粒子物理学研究所であるCERNは、ヒッグスメカニズムの不可欠な部分であるヒッグス粒子[70]と一致する粒子の検出を発表しました。

原子核物理学は、原子核の構成要素と相互作用を研究する物理学の分野です。原子核物理学の最も一般的に知られているアプリケーションは、原子力発電と核兵器技術ですが、この研究は、核医学と磁気共鳴イメージング、材料工学でのイオン注入、地質学と考古学での放射性炭素年代測定など、多くの分野でのアプリケーションを提供しています。。

原子、分子、および光学

原子、分子、および光学物理学（AMO）は、単一の原子および分子のスケールでの物質-物質および光-物質の相互作用の研究です。3つの領域は、相互関係、使用される方法の類似性、および関連するエネルギースケールの共通性のためにグループ化されています。3つの領域すべてに、古典的、半古典的、および量子的処理の両方が含まれます。彼らは（巨視的なビューとは対照的に）顕微鏡的なビューから彼らの主題を扱うことができます。

原子物理学は、原子の電子殻を研究します。現在の研究は、量子制御、原子とイオンの冷却とトラッピングの活動、[71] [72] [73]低温衝突ダイナミクス、および構造とダイナミクスに対する電子相関の影響に焦点を当てています。原子物理学は核の影響を受けますが（超微細分裂を参照）、核分裂や核融合などの核内現象は原子核物理学の一部と見なされます。

分子物理学は、多原子構造と、物質および光との内部および外部の相互作用に焦点を当てています。光物性は、巨視的な物体による古典的な光の場の制御ではなく、光の場の基本的な特性と微視的な領域の物質との相互作用に焦点を当てる傾向があるという点で、光学とは異なります。

物性

ルビジウム原子のガスの速度分布データ。物質の新しい相であるボーズ・アインシュタイン凝縮の発見を確認します。

物性物理学は、物質の巨視的な物理的性質を扱う物理学の分野です。[74] [75]特に、システム内の粒子の数が非常に多く、それらの間の相互作用が強い場合に現れる「凝縮」相に関係しています。[76]

凝縮相の最もよく知られている例は、原子間の電磁力による結合から生じる固体と液体です。[77]よりエキゾチックな凝縮相には、超流動[78]とボーズ-アインシュタイン凝縮[79]があり、特定の原子系で非常に低温で見られます。超伝導相は、特定の材料の伝導電子によって示されます[80]。原子格子上のスピンの反強磁性相。[81]

物性物理学は、現代物理学の最大の分野です。歴史的に、物性物理学は固体物理学から発展しました。固体物理学は現在、その主要なサブフィールドの1つと見なされています。[82]物性物理学という用語は、フィリップ・アンダーソンが1967年に彼の研究グループ（以前は固体理論）に名前を変更したときに造られたようです。[83] 1978年、アメリカ物理学会の固体物理学部門は次のように名前が変更されました。物性物理学部門。[82]物性物理学は、化学、材料科学、ナノテクノロジー、工学と大きく重なります。[76]

天体物理学

宇宙の最も深い可視光画像、ハッブルウルトラディープフィールド

天体物理学と天文学は、物理学の理論と方法を、恒星の構造、恒星の進化、太陽系の起源、および関連する宇宙論の問題の研究に適用したものです。天体物理学は幅広い主題であるため、天体物理学者は通常、力学、電磁気学、統計力学、熱力学、量子力学、相対性、核および粒子物理学、原子および分子物理学を含む多くの物理学の分野を適用します。[84]

電波信号が天体によって放出されたというカール・ジャンスキーによる1931年の発見は、電波天文学の科学を開始しました。ごく最近、天文学のフロンティアは宇宙探査によって拡大されました。地球の大気からの摂動と干渉により、赤外線、紫外線、ガンマ線、およびX線天文学に必要な宇宙ベースの観測が行われます。

現代宇宙論は、宇宙の形成と進化を最大規模で研究することです。アルバート・アインシュタインの相対性理論は、現代のすべての宇宙論において中心的な役割を果たしています。20世紀初頭、ハッブルの図に示されているように、宇宙が膨張しているというハッブルの発見は、定常状態の宇宙とビッグバンとして知られるライバルの説明を促しました。

ビッグバンは、ビッグバン元素合成の成功と1964年の宇宙マイクロ波背景放射の発見によって確認されました。ビッグバンモデルは、アルバートアインシュタインの一般相対性理論と宇宙原理という2つの理論的柱に基づいています。宇宙学者は最近、宇宙のインフレーション、暗黒エネルギー、暗黒物質を含む宇宙の進化のΛCDMモデルを確立しました。

今後10年間にフェルミガンマ線宇宙望遠鏡からの新しいデータから多くの可能性と発見が浮かび上がり、宇宙の既存のモデルを大幅に改訂または明確化することが期待されています。[85] [86]特に、暗黒物質を取り巻く途方もない発見の可能性は、今後数年間で可能である。[87]フェルミは、暗黒物質が弱く相互作用する巨大粒子で構成されているという証拠を探し、大型ハドロン衝突型加速器や他の地下検出器 を使った同様の実験を補完します。

IBEXはすでに新しい天体物理学的発見を生み出しています：「太陽風の終端衝撃波に沿って「 ENA（エネルギー中性原子）リボンを作成しているものは誰も知らない」「しかし、それが太陽圏の教科書の絵を意味することに誰もが同意します。太陽風の荷電粒子で満たされた太陽系の包み込むポケットは、彗星の形をした星間物質の突進する「銀河風」を通り抜けています。これは間違っています。」[88]

最新の研究

RPファインマンによって署名されたファインマン図。
物理学によって説明される典型的な現象：超伝導体の上に浮上する磁石は、マイスナー効果を示します。

物理学の研究は、多くの分野で継続的に進んでいます。

物性物理学において、重要な未解決の理論的問題は、高温超伝導の問題です。[89]多くの物性実験は、実行可能なスピントロニクスと量子コンピューターの製造を目指しています。[76] [90]

素粒子物理学では、標準模型を超える物理学の最初の実験的証拠が現れ始めています。これらの中で最も重要なのは、ニュートリノの質量がゼロではないことを示しています。これらの実験結果は、長年の太陽ニュートリノ問題を解決したようであり、巨大なニュートリノの物理学は、活発な理論的および実験的研究の領域のままです。大型ハドロン衝突型加速器はすでにヒッグス粒子を発見していますが、将来の研究は素粒子物理学の標準模型を拡張する超対称性を証明または反証することを目的としています。暗黒物質と暗黒エネルギーの主要な謎の性質に関する研究も現在進行中です。[91]

高エネルギー、量子、および天文学の物理学では多くの進歩が見られましたが、複雑さ、[92]カオス、[93]または乱流[94]を含む多くの日常的な現象はまだよくわかっていません。ダイナミクスと力学を巧妙に適用することで解決できると思われる複雑な問題は、未解決のままです。例としては、砂山の形成、水滴のノード、水滴の形状、表面張力の 大災害のメカニズム、振とうされた不均一なコレクションの自己分類などがあります。[i] [95]

これらの複雑な現象は、1970年代以降、複雑なシステムを新しい方法でモデル化できるようになった最新の数学的手法やコンピューターが利用できるようになるなど、いくつかの理由で注目を集めています。複雑な物理学は、空気力学における乱流の研究や生物系におけるパターン形成の観察によって例示されるように、ますます学際的な研究の一部になっています。流体力学の1932年の年次レビューで、HoraceLambは次のように述べています。[96]

私は今老人です、そして私が死んで天国に行くとき、私が悟りを望んでいる二つの事柄があります。1つは量子電気力学であり、もう1つは流体の乱流運動です。そして前者については、私はかなり楽観的です。

も参照してください

ノート

  1. ^ ファインマン物理学の講義の冒頭で、リチャードファインマンは原子仮説を単一の最も多作な科学的概念として提供しています。[1]
  2. ^ 「宇宙」という用語は、物理的に存在するすべてのものとして定義されます。つまり、空間と時間の全体、あらゆる形態の物質、エネルギーと運動量、およびそれらを支配する物理法則と定数です。ただし、「宇宙」という用語は、宇宙や哲学の世界などの概念を示す、わずかに異なる文脈上の意味で使用される場合もあります。
  3. ^ フランシスベーコンの1620年のノヴムオルガナムは、科学的方法の開発において重要でした。[7]
  4. ^ 微積分は、ほぼ同時にゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツによって独自に開発されました。ライプニッツは彼の作品を最初に出版し、今日の微積分に使用される表記法の多くを開発しましたが、ニュートンは微積分を開発し、それを物理問題に適用した最初の人物でした。ライプニッツとニュートンの微積分論争も参照してください
  5. ^ Nollは、一部の大学はまだこのタイトルを使用していると述べています。[34]
  6. ^ たとえば、オーステッドに対するカントとリッターの影響を参照してください。
  7. ^ 架空に示されている概念は、時間とともに変化する可能性があります。たとえば、19世紀の物理学の原子は、ルートヴィッヒ・ボルツマンの統計力学の定式化に対するエルンスト・マッハの批判を。第二次世界大戦の終わりまでに、原子はもはや仮想とは見なされませんでした。
  8. ^ それでも、物理学の文化では普遍主義が奨励されています。たとえば、ティムバーナーズリーによってCERNで革新されたワールドワイドウェブは、 CERNのコンピュータインフラストラクチャにサービスを提供するために作成され、世界中の物理学者による使用を目的としていました。arXiv.orgについても同じことが言えます
  9. ^ 「平衡から遠く離れたシステム」などに関するIlyaPrigogineの研究を参照してください

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    Sagr。-しかし、テストを行った私、シンプリシオは、100ポンドまたは200ポンド、またはそれ以上の重さの大砲のボールが、重さのあるマスケット銃のボールの前のスパンほど地面に到達しないことを保証できます[107]。両方が200キュビトの高さから落とされた場合、0.5ポンド。
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ソース

外部リンク

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