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物理学(Physics)とは、自然界のあらゆる現を包括的に理解するための理論(4つの相互作用;電磁相互作用・弱い相互作用・強い相互作用・重力)を構築する自然科学のひとつ。

その性質上強論理的が必要とされる。そのため数学との関係が深く、物理学を理解するためには後述の通りある程度の数学的知識が必要となる。

概要

その研究対は非常に幅広く、には見えない素粒子から宇宙全体の成立ちまでバラエティに富んでいる。特に量子力学をはじめとする微視的立場と、熱力学をはじめとする巨視的立場のふたつの面に分けられる。また成立順に古典物理学現代物理学に分類される。古典物理学(巨視的立場)古代からの哲学をそのまま反映した領域で物体の運動とは何か、熱をどのように認識すればよいか、色の違うは何が違うのかなど素な疑問に統一的に解を与える。現代物理学(に微視的立場)量子場(粒子)の振る舞い構造考察することが使命とされている。この観点で特に重要な問題が重力をどのように量子化するかというもので後述の通り宇宙物理学もそのターゲットとして含まれている。最終的にはまだ見ぬ大統一理論を通じて時から量子場が、量子場から時が生成されるような現を知ることが最終標である。

な体系

古典力学
から落ちる林檎について研究する。占いに使うホロスコープを精密に作製するために、いつ自分の頭上に注してるが現れるかを知ることが当時の研究理由。これにより上の運動大雑把に地上の物体の運動と同じ法則に従っていることが明らかになった。3つの運動法則があり、特に第2法則であるニュートン運動方程式学生にとって最初の関門として立ちはだかる。人類が大昔から素哲学として考えていた「間/時間/運動/質量」を「アフィン間/発展パラメータ/アフィン間内の曲線/アフィン間上の測度」で処理する物理模型現在では認識されている。この数学構成を崩すことで相対性理論に到達できる。ざっくりと言えば量子力学的影視できる巨視的状態、かつ速度べてはるかゆっくりと動く物体の運動を取り扱うことができる。物理学の流でもある。
解析力学
物体の運動をより一般的に表そうという試み。「大学物理数学」とよく言われる理由はおそらくこれ。変分原理→正準変数→断熱不変量→量子力学への応用 というのが一連の流れ。特に最小作用の原理を受け入れることができるか否かで物理理論を受け入れることができるかどうかを左右する。この分野を発展させまくったものに力学系(カオスを含む)やシンレティック幾何学などがある。
熱力学
を開け閉めする悪魔について研究する。左の例はマクスウェルの悪魔……であるが、今のところ否定的な方向で解決されている。初期にはカルノーサイクルなど熱機関などの研究が行われ、その後エントロピーなど、統計力学に繋がる研究課題が現れ、統計力学と共に熱統計力学という分野を形成している。また、後述の物理世界なんかでもブラックホール熱力学なんていうものがあったりする。
電磁気学
琥珀を擦って静電気が生じることから生まれた分野。マクスウェル方程式導原理なのだが、古典力学ニュートン運動方程式から出発したのと対照的に、マクスウェル方程式完成したのは結構後だったりする。他に有名なのはマイケル・ファラデーなど。また量子場の理論におけるゲージ変換を適応することで自然と電磁場が導かれる。ここの電磁波分野やベクトル解析あたりが、ガチ物理を志す学部生にとって最初の試練となる。名前からは予想できないが、が電磁場の一種であることがマクスウェルによって理論的に示され、後にフィッツジェラルドやローレンツがマクスウェル方程式で遊び倒したことで、この分野にける研究がアインシュタインによる特殊相対性理論に繋がった。
相対性理論
年齢の異なる双子について研究する。アインシュタインが有名だが、実はアインシュタイン相対性理論ではノーベル賞を受賞してはいない(前期量子論にいて電効果で受賞)。ぶっちゃけ特殊相対性理論の方は当時の物理学の発展の順序からして「いつかはかがやるだろうな」という理論ではあった。現在物理の基本的な考えの一つである相対性原理(見方を変えても物理法則は同じというルール)の流を造った。多くの学生が苦しめられるテンソル計算が出てくるのもここ。一般相対性理論は友人に「そんな研究やめたほうがいいよ」とかいわれながらも苦心して完成させた。一般相対性理論では曲がった時の計算が要請され、導かれた驚くべき成果はブラックホール古典模型宇宙の膨などがあげられる。
量子力学
に閉じ込められたについて研究する。左の例はかの有名なシュレーディンガーの猫。もともとは真空洞内にける射が古典力学では矛盾することを回避するために作られた理論であったが、気づけば20世紀および21世紀物理学の中心的分野となった(前期量子論)。その後、リチャード・ファインマン永振一郎などの数々の天才によって発展し、後々の素粒子物理学・物性物理学へ繋がることになる。ちなみに良く知られているシュレディンガーの量子化、ハイゼンベルグの量子化のほかにも、いくつか等価なファインマンの経路積分ネルソン確率量子化などある程度等価な量子力学の構成方法があったりする。
量子場の理論
を満たす""について探する。相対性理論量子力学の成立と同時に2つの理論の統合を論んだ一が創始者し、量子力学組み(ヒルベルト間)では取り扱えない粒子の発生・消滅現をフォック間を用いて整備した点が最大の特徴。前述のリチャード・ファインマンはこの計算の簡略化(ファインマンダイアグラム)を、永振一郎は計算で登場する困難を観測の仕方をめることで回避する方法(くりこみ)を提案してノーベル賞を受賞した。質量の起と言われているヒッグス機構もこの組みに含まれる。この理論を使えば下記の統計力学素粒子物理学・物性物理学の原理を導けるので現代物理の基本的な言とされ、これを学ぶことは世界中の大学生大学院生プロ学者になるための登竜門とみなされている。日本では学部の最終学年か大学院入学後に初めて触れることが多い。
統計力学
熱力学量子力学などいろいろな分野に現れる。もともとはボルツマンが気体分子の運動から熱力学第二法則を導いてやると野望を抱いて始めたのだが、結果的には熱衡にある系の性質を導く理論として確立した。非衡系についてはまだよく分かっていないことが多い。この分野を学ぶにはひと通りの解析力学の知識がいと話にならないので学部の後半で学ばれることが多い。量子場の理論を使うと半導体計算でも使用されるのフェルミ分布やレーザーの強度計算で考慮されるべきボーズ分布が導かれる(量子統計力学)。
連続体力学
変形と流動を扱う、古典力学の一分野。流体力学と弾性体力学に分けて学ぶが、本来は統一的に扱えるようにしたもの。その歴史は当然古く、「場」や「テンソル」の概念は実はこの分野に起があったりする。シミュレーションガリガリ、というか解析的には解けない場合が圧倒的に多い。その例として衝撃波物理(非線形波動)がある。現在は体系がかなり完成してきているので、工学地球科学の方が需要ありそう。
宇宙物理学
万物がどこから来たのかを探する分野。古典力学の成立以前から人々は宇宙ロマンを馳せていたが、一般相対性理論の成立後に、重力とは時が曲がった効果であることが示されて宇宙観が一変した。というのも、宇宙が膨していることを(古典論的)一般相対性理論アインシュタイン方程式したために、時間をさかのぼれば宇宙サイズは点まで圧縮される。このサイズ0の点から時が広がる模型がいわゆるビッグバン理論であり、凝縮されたエネルギーが時内で粒子を作り元素合成を経て今の宇宙を形作っていると考えられているため、これぞ物の理と考える学者が多い。このため最近は後述の素粒子物理学と一緒に考察されることが多く近寄りがたい分野である。他にも特殊な体現なども興味の範囲で、例えばブラックホール蒸発(ホーキング射)だとかガンマバーストだとか、白色、8×M_{太陽}より大きい恒星コアまで元素合成が進み中心付近が中性子化を始め、最後にはコアの外にある物質を吹き飛ばす超新星爆発(スーパーノヴァ)だとか、厨二コロくすぐるネーミングの現が多数ある。
素粒子物理学
物理学界の博物学。この世界の住人の使用言は上述の量子場の理論であり、これを用いて素粒子と呼ばれる宇宙を形作る最小単位の粒子がコレクションボックスに入るべきもので、これらの振る舞いを理論実験的に調べる。特に実験は時代を追うごとに高出の加速器が登場しそのたびに新種の粒子が発見された。現在最大規模の加速器はシュタインズ・ゲートでおなじみCERNLarge Hadron Collider (LHC)。 現在は質量を生み出すヒッグス粒子まで実験的に確認されており、電磁相互作用の量子電磁力学(QED)と弱い相互作用と強い相互作用を表現する量子色力学(QCD、非可換ゲージ)をまとめた標準理論物理の基礎とされている。現在標準理論以後の時代であり、最大の興味は「4つのの最後の一つの重力をいかにして量子化して粒子と扱うか」と「実験的に標準理論で説明できない相互作用を発見する」ことをしている。理論的にはそれが見つかったときの補としてひも理論などの余剰次元を導入した模型やら多体系で非線形・非摂動の物理の研究がか。実験研究は基本的に研究になるためよっぽど何かないと新しい装置が導入できないのが難点。
物性物理学
量子力学のおかげで個々の物質の性質について解明が進んでいった結果できた分野。はなぜ磁石にくっつく?というような古代からの疑問にも量子力学なしでは答えることはできない。現代物理要な研究分野の一つ。というのも「半導体」「超伝導」「ナノ」など聞こえのいいキーワードが並ぶため研究費が取りやすいという理由があったりなかったり。物性をデザインするのにスーパーコンピュータゴリゴリ計算することもしばしば。
原子核物理学
自然界には「強い」「弱い」「電磁気」「重力」という相互作用があるが、粒子間に相互作用する強いの一つである核を研究する分野。ハドロン物理学とも言う。α線やβ線やクーロン相互作用による粒子間の散乱により原子核の構造に標をつけたラザフォード散乱などが有名である。例えば、陽子の質量はm_p c^2=938.28MeV、中性子の質量はm_n c^2=939.57MeVであるが、陽子と中性子が結合すると重陽子になり、m_d c^2=1875.61MeVであり、陽子質量と中性子質量の和より小さくなる。つまり、結合した前後で、質量の和が違っている。その差は、2.24MeVであり、これは結合エネルギーと呼ばれる。陽子や中性子を結び付けている相互作用である。このような世界量子力学統計力学などを用いて解き明かす。陽子数や中性子数で分類する核図表で見ると分かりやすいかもしれない。均場理論や中性子過剰核、マジックナンバーラジオアイソトープビーム(RIビーム)などの言葉がある。この宇宙における元素合成の基本的作用である。ほぼ中性子でできている中性子の近距離の潮力学的に計算すると、凄まじいことがわかる。核を伝える新しい粒子を予言したのは湯川秀樹である。

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