物理 第一部：物理学とは

　物理学をはじめ，化学，生物学，地学などいわゆる理学の基礎となる自然の論理的な理解への探求は，紀元前400年～300年頃に，師弟関係のソクラテス・プラトン・アリストテレス（万学の祖）らの哲学（philosophy）が学問（自然哲学；philosophy of nature）として大きく発展したが，その基礎となる自然哲学は，紀元前650年頃から480年頃のソクラテス以前の哲学者（タレス，ピタゴラス，レウキッポス，デモクリトスなど）によって始められている。
　
　プラトンの弟子のアリストテレスは，物理現象の観察が自然法則の発見につながるという考えで『自然学』を著した。その後の自然哲学の学問分野としての発展に寄与したため，アリストテレスは万学の粗といわれるようになった。紀元前250年頃には，アルキメデスが流体静力学，静力学の基礎を作った。
　その後のヨーロッパでは，自然学や神学などを統合したスコラ哲学（scholasticism）により，宗教と矛盾しない限りにおいて，物理現象を説明する際の基礎として古来の自然学を用いていたため，自然科学の研究に正当な意味を見いだせず，発展が遅々として進まない時代が続いた。
　
　17世紀には，ニコラウス・コペルニクスは，太陽，地球，月，惑星の相対運動を数学的に分析し，当時主流だった地球中心説（天動説）を覆し，天文学史上最も重要な発見とされる太陽中心説（地動説）を唱えた。このように，それまで軽視されていた数学的記述に関し，ガリレオ・ガリレイが中心になり，物理学や天文学に数学的な記述を適用し，運動の特徴を正確に，一般化して表現する活動が広まった。なお，ガリレオ・ガリレイは，数学的記述の他に，実験に基づいた新しい自然哲学の伝統をも樹立した。
　同時期に，フランスの哲学者ルネ・デカルトは実験哲学に多くの影響を受け，これまでのスコラ哲学における感覚を通しての解釈を疑問視し，知覚される現象を「微粒子」の見えない運動に帰着させようと試みた。デカルトによる運動の数学的な記述は，ホイヘンスやライプニッツに引き継がれた。
　しかし，1687年に，アイザック・ニュートンは，宇宙のすべての運動に対し，「自然哲学の数学的諸原理」（宇宙の全ての運動を一連の基本的な数学的原理で説明する方法）を出版し，基本原理を運動の3法則と万有引力として紹介した。

　古典力学（classical mechanics）とは，相対論的力学や量子力学が出現する以前のニュートンの運動の法則を基本原理とするニュートン力学，解析力学（数理解析）の総称である。
　光の速度に比べて遅い速度で動く巨視的な物体の運動を論じるのに有効な力学である。
　
　ニュートン力学（ Newtonian mechanics ）
　アイザック・ニュートンが構築した力学の体系である。なお，ニュートン力学は，アインシュタインの相対性理論や量子力学などと対比するために命名されたものである。
　静止物体に働く力の釣り合いを扱う静力学は，ギリシア時代から知識が蓄積されていたが，ニュートン力学（運動の法則）により，物体の運動について調べる動力学の確立に寄与した。
　ニュートンの力学は，ベルヌーイ，オイラー，モーペルテュイ，ダランベール，ラグランジュ，ラプラス，コリオリ，ハミルトンなど数多くの数学者や物理学者により今日の古典力学体系にまとめられてきた。
　
　解析力学（analytical mechanics）
　物理学の一分野で，ニュートンの運動の法則に基づく力学を，個々の実例を離れ，より一般的な形式にまとめたもので，18世紀後半から19世紀にかけてラグランジュ，ハミルトン，ヤコビらによって展開された。

　電磁気学（electromagnetism）とは，電気および磁気に関する現象を扱う物理学の一分野であるが，力学と共に古典物理学の中心的位置を占める。
　
　18世紀までは，電気学と磁気学は別の学問であった。エルステッドが1820年に電流の磁気作用の発見し，1831年にファラデーが電磁誘導（electromagnetic induction）を発見し，マクスウェルがファラデーの電磁場理論をもとに，1864年にマクスウェルの方程式を導いて電気学と磁気学を統合した古典電磁気学を確立した。

　相対性理論（relativity theory）とは，相対論とも呼ばれ，量子力学と並んで現代物理学の基礎となるアインシュタインによって確立された理論で，相対性原理の要請を満たす物理理論をいう。
　相対性原理（principle of relativity）とは，ある範囲の座標系がすべて物理的に同等であって，これらのどの座標系でも物理法則はまったく同形でなければならないという要請をいう。
　
　電磁気学が19世紀に発展し，電磁気学とガリレイの相対性原理に従うニュートン力学とが互いに矛盾することが問題となった。
　その後，20 世紀初頭までに，ヘルツ，フィッツジェラルド，ローレンツ，アインシュタインらの成果から，マクスウェルの理論の正当性が検証された。
　これを受けて，ニュートン力学は，ガリレイの相対性原理ではなくアインシュタインの相対性原理を基礎とする新しい力学（特殊相対性理論）に修正された。
　
　ガリレイの相対性原理（Galilean principle of relativity）とは，二つの慣性座標系間で，時間と座標がガリレイ変換で関係づけられ，物理法則がガリレイ変換で変化しないという要請をいう。
　ニュートン力学の諸法則（方程式）はガリレイの相対性原理の要請を満足している。
　ガリレイ変換（Galilean transformation）とは，一つの慣性系で記述された速度・加速度などの物理量や物理法則を他の等速相対運動する慣性系の記述に移すことをいう。
　特殊相対性理論（special relativity）とは，アインシュタインが 1905年に発表した基礎理論で，光速度がすべての観測者に対して不変であることと相対性原理に基づき，互いに等速度運動する慣性系に対して，電磁気学を含むすべての物理法則が同じ形で成立することを定式化したもの。

　特殊相対性理論の後の 1915年に一般相対性理論が発表された。一般相対性理論までに完成された力学は「古典力学」と呼ばれ，1920年代に成立した量子力学と区別される。
　一般相対性理論（general theory of relativity）とは，等価原理と相対性原理に基づいて，互いに加速度運動する加速系を含む全座標系に対し，すべての物理法則が同じ形で成立することを定式化したもので，万有引力の現象の説明が可能になった。

　量子力学（Quantum mechanics）とは，分子，原子，原子核，素粒子などの微視的な系の物理現象を扱う力学（理論体系）である。
　
　量子力学は，1900年に，マックス・プランクによって導入された量子説（放射公式）に始まるといわれている。量子説では，ニュートン力学，マクスウェルの電磁理論を用い，光電効果，コンプトン効果，原子構造，スペクトルなどを解明しているが，多くの矛盾を含んでいた。
　アインシュタインが放射公式を分析し，光に波動性と粒子性の二つを同時に付与したことになっていることを示すとともに，光のエネルギー量子（光量子仮説）を提唱した。
　
　ボーアは，古典力学から得られる水素原子の電子軌道のうち，現実の軌道として可能なものを選択する条件（量子条件，光放出のメカニズム）を導入した。
　1923年に，ド・ブローイは電子もまた波動性をもつべきことを予見した。
　1925年に，ハイゼンベルクが，1913年のボーアの理論をもとに，新しい力学に作り変えたのが量子力学の誕生と考えられている。
　1926年には，シュレーディンガーの提案した波動力学（wave mechanics）により，矛盾のない量子理論を展開し，量子力学の基礎が確立した。

　流体力学（hydrodynamics）とは，気体や液体のように，少しの力を加えると容易に変形する流体（fluid）の静止・運動状態，他の物体へ及ぼす力などを論じる物理学の一部門で，静止状態を取扱う流体静力学と，運動を扱う流体動力学がある。
　
　流体静力学（hydrostatics）は，古代ギリシャのアルキメデスの「アルキメデスの原理」の発見，1653年のパスカルによる「パスカルの原理」の発見，ボイルらによる「ボイルの法則（ボイル・マリオットの法則）」提唱で完成の域に達した。
　
　流体動力学（hydrokinetics）は，流体静力学より後に登場し，ニュートン力学の流体への適用により進展した。18世紀の段階ではベルヌーイ，オイラー，ラグランジュらにより完全流体（粘性の無い流体）が研究され，次いで，19世紀にナビエ，ストークスらにより粘性流体の研究，19世紀末にはレイノルズによって乱流が研究された。
　20世紀の初めには，プラントルの境界層理論により現代流体力学の基礎が確立された。

　熱力学（thermodynamics）とは，熱や物質の輸送現象やそれに伴う力学的な仕事について，エネルギー，温度，エントロピー，圧力，体積，物質量（分子数），化学ポテンシャルなどの巨視的な物理量を用いて記述する学問で，平衡系の熱力学（equilibrium thermodynamics）と非平衡系の熱力学（non-equilibrium thermodynamics）とに大別される
　
　18世紀後半から19世紀に，気体の性質について研究され，19世紀初めにボイル＝シャルルの法則（理想気体の性質）としてまとめられた。なお，1662年にロバート・ボイルによって発表されたボイルの法則とジャック・シャルルにより 1787年頃に発見されていたが未発表のシャルルの法則を 1802年にゲイ＝リュサックが発表することでまとめることができた。
　1820年代には，カルノーが熱機関の科学的研究を目的としてカルノーサイクルによる研究を行うことで，本格的な熱力学の研究が始まった。
　
　マイヤー，ヘルムホルツ，ジュールにより，熱もエネルギーの一種であることが発見され，熱力学の第一歩が踏み出された。
　熱をエネルギーの一形態と捉えた熱力学の第一法則（エネルギー保存則）をはじめて提唱したのはマイヤーである。彼の論文は1842年に発表されたが全く注目されなかった。しかしほぼ同時期にジュールが行った同様の研究はトムソン（ケルビン卿）の知るところとなり、彼らの共同研究から第一法則が明らかにされた。
　さらにトムソンはカルノーの研究を知り，絶対温度（熱力学(的)温度）の概念および熱力学第二法則に到達した。クラウジウスも独立に第一および第二法則に到達し，カルノーサイクルの数学的解析からエントロピーの概念の重要性を明らかにし，1850年代には両法則が確立された。
　
　19世紀後半には，ヘルムホルツにより自由エネルギー，ギブズにより化学ポテンシャルが導入され，化学平衡などを含む広い範囲の現象を熱力学で論じることが可能になった。
　一方，ボルツマン，マクスウェル，ギブズにより，分子論の立場から熱力学的なマクロの現象を説明する理論（統計力学）が創始された。

• タレス（紀元前624年頃～546年頃）
  　タレースともいわれ，古代ギリシアの哲学者，全ての出来事には理由があると主張し，超自然的，宗教的，神話的説明を否定したことから「科学の父」といわれる。タレスの定理（Thales' theorem）：直径に対する円周角は直角である。
• ピタゴラス（紀元前582年～496年）
  　 ピタゴラスの定理などで知られる古代ギリシアの数学者，哲学者。プラトンに大きな影響を与えた哲学者。
  　ピタゴラスの定理（Pythagorean theorem）：三平方の定理ともいわれ，直角三角形の斜辺の長さを c ，他の 2 辺の長さを a , b とすると c²＝a²＋b² が成り立つ。
• レウキッポス（紀元前440年～430年頃）
  　 古代ギリシアの自然哲学者。デモクリトスの師として原子論（全ての物体は原子と呼ばれる不滅不分割の粒子で構成されている）を創始。
• デモクリトス（紀元前460年頃～370年頃）
  　デーモクリトスともいわれ，古代ギリシアの哲学者。ソクラテス以後に生まれたが，慣例でソクラテス以前の哲学者に含まれる。デモクリトスは，“すべての物質は何もない空間とそれ以上分割できない粒子からできている”と考え，この基本粒子をアトムと命名した。
• ソクラテス（紀元前469年～399年）
  　 古代ギリシアの哲学者，ソクラテス自身の著作物はなく，彼の思想は弟子のプラトン，クセノポン，アリストテレスなどの著作から知られる。
• プラトン（紀元前427年～347年）
  　プラトーンともいい，古代ギリシアの哲学者，ソクラテスの弟子，アリストテレスの師。
• アリストテレス（紀元前 384年～ 322 年）
  　 　古代ギリシャの哲学者，「万学の祖」と呼ばれ，多くの領域に関し研究を行い，著書『自然学』で自然学研究群の基礎を構成した。また，アリストテレスの 4 元素説，“物体は，単純物体である火・空気・水・土を構成要素とし，乾・冷・湿・温の作用で互いに変換する”は，現代化学の基礎となる錬金術の発展に大きな影響を与えている。
• アルキメデス（紀元前287年頃～212年）
  　 古代ギリシアの数学者，物理学者，技術者，発明家，天文学者。「てこの原理」や浮力の大きさは物体の排除した流体に働くべき重力に等しいという「アルキメデスの原理」の発見，投石機や揚水装置（アルキメデスの螺旋）などの機械類の発明，円周率の近似値を求めるなど多方面で活躍した。
• ニコラウス・コペルニクス（1473年～1543年）
  　 ポーランド出身の天文学者，カトリック司祭。当時主流だった地球中心説（天動説）を覆す太陽中心説（地動説）を唱えた。経済学の「悪貨は良貨を駆逐する」に最初に気づいた人物の一人。
• ガリレオ・ガリレイ（1564年～1642年）
  　 イタリアの物理学者，天文学者，哲学者。「天文学の父」と称され，イギリスの哲学者ロジャー・ベーコン（1214年～1294年）とともに科学的手法の開拓者の一人といわれる。
• ルネ・デカルト（1596年～1650年）
  　 フランス生まれの哲学者，数学者。哲学史上でもっとも有名な命題「我思う，ゆえに我あり」で知られ，「合理主義哲学の祖」，「近世哲学の祖」といわれ，「運動量保存の法則」の概念の提唱者でもある。
• ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツ（1646年～1716年）
  　 ドイツの哲学者，数学者。デカルトやスピノザなどとともに大陸合理主義を代表する哲学者。17世紀の様々な学問を統一し，体系化しようとし，モナド論，微積分法，微積分記号の考案，論理計算の創始など多岐の業績がある。
  　大陸合理主義（Continental Rationalism）とは，デカルトに始まる“人間は生得的に理性を与えられ，基本的な観念・概念の一部をもつ，もしくはそれを獲得する能力をもつ”と考える思想。
• サー・アイザック・ニュートン（1643年～1727年）
  　 イングランドの自然哲学者，数学者，物理学者，天文学者。主な業績としてニュートン力学の確立や微積分法の発見がある。
• ダニエル・ベルヌーイ（1700年～1782年）
  　 スイスの数学者・物理学者。1738年に『流体力学』を出版。ベルヌーイの定理「空気や水の流れがはやくなると，そのはやくなった部分は圧力が低くなる。はやく流れるほど圧力は下がる。」など，流体力学の基礎を築いた。
• レオンハルト・オイラー（1707年～1783年）
  　 ロシア・ドイツの数学者・天文学者（天体物理学者）。オイラーの公式，オイラーの等式，オイラー積分など，微分積分の創始以来で，解析学の技法的な完成に寄与した。
• ピエール＝ルイ・モロー・ド・モーペルテュイ（1698年～1759年）
  　 フランスの数学者。最小作用の原理（力学の基礎原理）の提唱者。
• ジャン・ル・ロン・ダランベール（1717年～1783年）
  　 フランスの哲学者，数学者，物理学者。ダランベールの原理の提唱者。
• ジョゼフ＝ルイ・ラグランジュ（1736年～1813年）
  　 フランスの数学者，天文学者。オイラーと並ぶ18世紀最大の数学者。微分積分学の物理学，最小作用の原理に基づく解析力学（ラグランジュ力学）を作る。
• ピエール＝シモン・ラプラス（1749年～1827年）
  　 フランスの数学者，物理学者，天文学者。「天体力学概論」，「確率論の解析理論」，ラプラス方程式，ラプラス展開，ラプラス変換などで知られる。
• ガスパール＝ギュスターヴ・コリオリ（1792年～1843年）
  　 フランス生まれの物理学者，数学者，天文学者。コリオリの力（転向力）を提唱。
• ウィリアム・ローワン・ハミルトン（1805年～1865年）
  　 イギリスの数学者，物理学者。四元数（高次複素数）の発見，解析力学（ハミルトン力学）の創始で知られる。
• ハンス・クリスティアン・エルステッド（1777年～1851年）
  　 デンマークの物理学者，化学者。電流が磁場を形成することを発見し電磁気学の基礎を築いた。
• マイケル・ファラデー（1791年～1867年）
  　 イギリスの化学者，物理学者。ファラデーの電磁誘導の法則，ファラデーの電気分解の法則，ファラデー定数など電磁気学，電気化学への貢献で知られる。
• ジェームズ・クラーク・マクスウェル（1831年～1879年）
  　 イギリスの理論物理学者。熱力学のマクスウェルの関係式，電磁気学のマクスウェルの方程式，統計力学のマクスウェル分布（マクスウェル・ボルツマン分布）で知られる。
• ハインリヒ・ルドルフ・ヘルツ（1857年～1894年）
  　 ドイツの物理学者。マックスウェルの電磁気理論をさらに明確化し発展させた。
• ジョージ・フランシス・フィッツジェラルド（1851年～1901年）
  　 アイルランドの物理学者。交流電流の電磁波放射をヘルツの実験に先駆け理論的に予言，ローレンツとともに光の反射・屈折の理論をマクスウェルの方程式から導く。
• ヘンドリック・アントーン・ローレンツ（1853年～1928年）
  　 オランダの物理学者。ピーター・ゼーマンとともにゼーマン効果の発見と理論的解釈，ローレンツ力，ローレンツ変換などで知られる。
• アルベルト・アインシュタイン（1879年～1955年）
  　 ドイツ生まれの理論物理学者。特殊相対性理論，一般相対性理論，相対性宇宙論，揺動散逸定理など多数の業績があり，20世紀最大の物理学者，現代物理学の父とも呼ばれる。
• マックス・カール・エルンスト・ルートヴィヒ・プランク（1858年～1947年）
  　 ドイツの物理学者。量子論創始者の一人で，「量子論の父」とも呼ばれている。
• ニールス・ヘンリク・ダヴィド・ボーア（1885年～1962年）
  　 デンマークの理論物理学者。量子論の育ての親。
• ルイ・ド・ブロイ（1892年～1987年）
  　 フランスの理論物理学者。量子力学の基礎となるド・ブロイ波（物質波）を提唱。
• ヴェルナー・カール・ハイゼンベルク（1901年～1976年）
  　 ドイツの理論物理学者。行列力学と不確定性原理で量子力学に貢献。
• エルヴィーン・ルードルフ・ヨーゼフ・アレクサンダー・シュレーディンガー（1887年～1961年）
  　 オーストリア出身の理論物理学者。1926年に「波動力学」を提唱。シュレーディンガー方程式，シュレーディンガーの猫などで知られる。
• ブレーズ・パスカル（1623年～1662年）
  　 フランスの哲学者，自然哲学者，思想家，数学者，キリスト教神学者。近代的物理学の先駆者。
• ロバート・ボイル（1627年～1691年）
  　 アイルランド・リズモア出身の貴族，自然哲学者，化学者，物理学者，発明家。ボイルの法則で知られている。
• クロード・ルイ・マリー・アンリ・ナヴィエ（1785年～1836年）
  　 フランスの数学者，物理学者。流体力学における基礎方程式（ナビエ–ストークス方程式）として知られる。
• サー・ジョージ・ガブリエル・ストークス（1819年～1903年）
  　 アイルランドの数学者，物理学者。ストークスの式，粘度など単位，ストークス散乱などで知られる。
• オズボーン・レイノルズ（1842年～1912年）
  　 アイルランド生まれのイギリスの物理学者。レイノルズ数，レイノルズの輸送定理などで知られる。
• ルートヴィヒ・プラントル（1875年～1953年）
  　 ドイツの物理学者。空気力学における境界層，薄翼の理論，揚力線理論などで知られる。
• ジャック・アレクサンドル・セザール・シャルル（1746年～1823年）
  　 フランスの発明家，物理学者，数学者。シャルルの法則は，ゲイ＝リュサックが1802年に定式化したが，ジャック・シャルルの業績を参照してシャルルの法則と名付けた。
• ジャン・バティスト・ジョゼフ・フーリエ男爵（1768年～1830年）
  　 フランスの数学者，物理学者。熱伝導方程式（フーリエの方程式），フーリエ解析で知られる。
• ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサック（1778年～1850年）
  　 フランスの化学者，物理学者。シャルルの法則の発見者の一人。
• ニコラ・レオナール・サディ・カルノー（1796年～1832年）
  　 フランスの軍人，物理学者，技術者。仮想熱機関「カルノーサイクル」の研究により熱力学第二法則の原型を導いたことで知られる。
• ユリウス・ロベルト・フォン・マイヤー（1814年～1878年）
  　 ドイツの物理学者。熱と仕事が相互に変換可能であること，エネルギー保存の法則を発表。比熱に関するマイヤーの関係式でも知られる。
• ジェームズ・プレスコット・ジュール（1818年～1889年）
  　 イギリスの物理学者。ジュールの法則の発見など熱力学の発展に寄与。
• ヘルマン・ルートヴィヒ・フェルディナント・フォン・ヘルムホルツ（1821年～1894年）
  　 ドイツ出身の生理学者，物理学者。1847年に論文『力の保存について』を発表。マイヤー，ジュール，ケルビン卿と並ぶエネルギー保存則（熱力学の第一法則）確立者の一人。ヘルムホルツ方程式，ヘルムホルツの自由エネルギー，ケルビン・ヘルムホルツ不安定性，ギブズ-ヘルムホルツの式などで知られる。
• ルドルフ・ユリウス・エマヌエル・クラウジウス（1822年～1888年）
  　 ドイツの物理学者。熱力学第一法則・第二法則の定式化，エントロピーの概念の導入など、熱力学の基礎を築く。
• 初代ケルヴィン男爵　ウィリアム・トムソン（1824年～1907年）
  　 イギリスの物理学者。爵位に由来するケルビン卿（Lord Kelvin）の名で知られる。絶対温度（熱力学(的)温度，ケルビン）の導入，クラウジウスとは別に熱力学第二法則（トムソンの原理，ケルヴィンの原理）の発見，ジュール＝トムソン効果の発見，ケルビンの渦定理など，古典的な熱力学の開拓者の一人。
• ジョサイア・ウィラード・ギブズ（1839年～1903年）
  　 アメリカの数学者，物理学者，物理化学者。熱力学ポテンシャル，化学ポテンシャル概念を導入。相平衡理論，相律の発見など今日の化学熱力学の基礎を築く。ベクトル解析の創始，ギブズ自由エネルギー，ギブズ-デュエムの式，ギブズ-ヘルムホルツの式などで知られる。
• ルートヴィッヒ・エードゥアルト・ボルツマン（1844年～1906年）
  　 オーストリア・ウィーン出身の物理学者，哲学者。統計力学，電磁気学，熱力学，ボルツマンの関係式，ボルツマン定数などで知られる。