物 理 (物理学の主な分類)

  ☆ “ホーム” ⇒ “生活の中の科学“ ⇒
 
 ここでは,分野別の物理学の概要を, 【物理学・力学】【古典力学(ニュートン力学,解析力学)】【流体力学】【熱力学】【統計力学・相対性理論】【電磁気学・光学・天文学】【量子力学・原子物理学】に項目を分けて紹介する。

【物理学・力学】

 物理学( physics )
 自然界の物質とその間に働く相互作用を理解することを目的とする学問である。
 物理学は,研究手段により,実験物理学理論物理学に大別される。また,研究分野によっても分類され,対象分野には,巨視的な現象の理解を目的とする物体の運動,色彩,音響,電磁気,熱,波動,天体運動,微視的な現象の理解を目的とする素粒子の運動など多岐にわたる。
 
 力学(mechanics)
 物体の運動,物体に働く力や相互作用を考察の対象とする学問分野を総称して力学というが,単に「力学」といった場合は,ニュートン力学を指すことが多い。
 質量保存,運動量,角運動量,万有引力などの数少ない基本法則から,対象とする系の挙動の解析・予測する学問を応用力学(applied mechanics)といい,その適用対象は広範多岐である。
 例えば,工学的な利用目的の物に,連続体力学(Continuum mechanics)機械力学(dynamics of machinery)材料力学(strength of materials,mechanics of materials),構造力学(structural mechanics),土質力学(soil mechanics), レオロジー(rheology),空気力学(aerodynamics),大気力学(Dynamic meteorology または Atmospheric dynamics),水力学(hydraulics),航空力学(aerodynamics)などがある。
 
 静力学(statics)
 力学のなかで,静止(時間によって系の要素の相対的な位置が変化しない状態)している物体系に働く幾つかの力の釣合いを論じる物理学の一分野である。
 の総和,及び任意点に関するそれぞれの力のモーメントの総和がともにゼロであるとき,系は静止して平衡にある。
 静力学は,動力学の対語で,対象に質点・質点系・剛体の平衡,弾性体や静止流体の内部での平衡,建築物・構造物・機械などの各部材の平衡などがある。
 
 動力学(dynamics)
 動力学は,静力学の対語で,力の作用を受けている物体の運動を論じる物理学の一分野である。運動を決定する微分方程式を運動方程式という。
 量子力学では,量子電磁力学や量子色力学のように,どのように力が量子化されているかという形で取り扱われる。

  ページの先頭へ

 【古典力学】

 古典力学(classical mechanics)は,系に作用する力を既知として系の運動を論じるニュートン力学と,系の力学的エネルギーなどを既知として系の運動を論じる解析力学とに大別される。
 ニュートン力学は,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た。
 古典力学は,一般的には,「巨視的なスケールでかつ光速よりも十分遅い速さの運動を扱う際の理論」と理解されている。 従って,光速度に近い高速度の運動は相対論が,分子,原子,原子核などの微視的な系に対しては量子力学が適用される。
 
 ニュートン力学(Newtonian mechanics)
 「絶対時間」と「絶対空間」を前提とし,ニュートンの運動の法則( Newton's equation of motion;運動の第1法則,第2法則,第3法則),万有引力の法則( universal gravitation )など二体間に働く力を基礎とした力学体系で,古典力学(classical mechanics)ともいわれる。
 運動の法則(law of motion)
 第1法則:外から力が作用しない限り,質点は静止又は等速直線運動する(慣性の法則:law of inertia)。
 第2法則:質点の加速度 a は,そのとき質点に作用する力 F に比例し,比例係数 m(質点の質量)に反比例( ma=F )する。
 第3法則:二つの質点 A , B の質点 A から質点 B に力(作用)を及ぼすと,同時に質点 B から質点 A に力(反作用)が及ぼされ,作用と反作用は大きさが等しく逆向きである(作用・反作用の法則:law of action and reaction)。
 
 万有引力( universal gravitation )
 地上で物体が地球に引き寄せられるだけではなく,宇宙のどこでも全ての物体は互いに gravitation(引力,重力)を及ぼしあうとの考え方をいう。
 質量 m ,M の2つの質点が距離 r だけ離れているとき,大きさ G・m・M・r‐2 の力(万有引力)が 2 質点を結ぶ方向に働く。
 G は,物質によらない普遍定数で万有引力定数( 6.674 08(31)×10-11N・m2・kg-2 )という。
 
 解析力学(analytical mechanics)
 ニュートンの運動の法則に基づく力学を,数学の解析学の手法を用いて記述し,より一般的な形式にまとめた物理学で,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。
 解析力学の体系は,基本的にラグランジュ力学(Lagrangian mechanics)ハミルトン力学(Hamiltonian mechanics)により構成される
 複雑な力学系の運動の解法,特に惑星間の相互引力を考慮した惑星の軌道計算に応用された。また,量子力学の展開にも寄与している。

  ページの先頭へ

 【流体力学】

 流体力学(fluid mechanics , hydrodynamics)とは,流体の静止状態や運動状態での性質,流体中の物体の運動を研究する力学の一分野。
 流体力学は,静止状態を扱う流体静力学(fluid statics),運動状態を扱う流体動力学(fluid dynamics)に分けられる。なお,工学分野では,水を対象とする水力学(水理学),空気を対象とする空気力学に分けて扱われることがある。
 
 流体静力学
 基本体系は,古代ギリシャのアルキメデスの原理,17世紀に発見されたパスカルの原理,ボイルの法則(ボイル・マリオットの法則)で整っている。
 
 流体動力学
 流体にニュートン力学を適用することで進んだ分野で,18世紀のベルヌーイ,オイラー,ラグランジュらによる完全流体(粘性の無い流体)の運動から始まり,19世紀にナビエ,ストークスらによる粘性流体の研究,レイノルズによる乱流の研究,20世紀初めのプラントルの境界層理論で流体力学の基礎が確立された。
 航空機の発達により,翼理論などの空気力学,航空力学が展開され,宇宙開発に伴う極超音速流,希薄気体力学,プラズマや核融合の研究に伴う電磁流体力学といった分野に展開されている。

  ページの先頭へ

 【熱力学】

 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ある。
 熱力学の中で,分子論的立場から論じる別の取扱いは,統計熱力学(statistical thermodynamics)といわれる。
 
 熱力学は,平衡系の熱力学(equilibrium thermodynamics)と非平衡系の熱力学(non-equilibrium thermodynamics)とに大別されるが,非平衡系の熱力学は,一般化に至らず,限られた状況でしか成り立たないので,単に「熱力学」といった場合は,平衡系の熱力学を指す。
 なお,平衡(equilibrium)とは,熱平衡,力学的平衡,化学平衡の三者(熱力学的平衡)を意味する。
 
 平衡系の熱力学は,三つの基礎的な法則(熱力学第一法則,熱力学第二法則,熱力学第三法則)で構築される。
 熱力学第一法則( the first law of thermodynamics )
 「孤立系のエネルギーの総量は変化しない。」という熱力学の基本法則の一つで,内部エネルギー(internal energy)という概念を導入したエネルギー保存の法則( the law of the conservation of energy )である。
 
 熱力学第二法則( the second law of thermodynamics )
 エネルギーの移動の方向とエネルギーの質に関する熱力学の基本法則の一つで,様々に表現される。
 代表的なものにエントロピー増大則,クラウジウスの法則がある。他に,トムソンの法則,ケルビンの法則,クラウジウスの不等式などの表現がある。伝統的にはクラウジウスの不等式(Σ( Qi / Ti ) ≦ 0 )を用いてエントロピーを定義している。
 エントロピー増大則
 断熱系において不可逆変化が生じた場合,その系のエントロピーは増大する。
 クラウジウスの法則
 低温の熱源から高温の熱源に正の熱を移す際に,他に何の変化もおこさないようにすることはできない。
 これらの法則は,化学反応もを記述する際の自由エネルギー変化で利用されている。
 
 熱力学第三法則( the third law of thermodynamics )
 「完全結晶のエントロピーは絶対零度ではすべて等しくなる。」という熱力学の基本法則の一つで,エントロピーの基準値を決めることができることを意味する。熱力学第三法則はネルンストの定理(熱定理)「有限回の操作では決して,絶対零度には到達することができない。」と同等といわれている。

  ページの先頭へ

 【統計力学・相対性理論】

 統計力学(statistical mechanics)
 熱力学的な性質を気体分子運動論の立場から演繹することを目的に,ボルツマン,マクスウェル,ギブズによって,分子論の立場に立ち,分子挙動を平均化して扱い熱力学的なマクロの現象を説明する統計力学が創始された。
 統計力学は,統計物理学(statistical physics),統計熱力学とも呼ばれ,系の微視的な物理法則,すなわち粒子(分子,原子など)の性質・行動を確率論的に処理することで,巨視的な性質を導き出すための学問である。
 
 現行の統計力学では,比熱,熱放射,相転移,誘電率,磁性など静的な性質を扱っているが,時間的に変化する輸送現象や拡散現象などの動的な性質を扱うため,気体の粘性や熱伝導を出発点として,非平衡状態の統計力学が展開されている。
 さらに,微視的世界の力学である量子力学においても,統計力学(量子統計力学)が展開されている。
 
 相対性理論(relativity theory)
 相対論ともいい,特殊相対性理論(Special relativity)一般相対性理論(general theory of relativity)の総称である。量子力学とともに,現代物理の基本的な理論である。
 アインシュタインにより記述された特殊想定性理論は,慣性系(互いに等速度運動する観測者どうし)で,物理法則は互いに不変(相対性原理)と光速度不変の原理から導かれた(1905年)。
 一般相対性理論は,加速系(互いに加速度運動する観測者どうし)で,等価原理により加速度による「見かけの重力」と重力場を等価とし,慣性系以外にも一般化した(1915〜1916年)。
 
 物理学のあゆみでも紹介したように,相対性原理とは,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で,この要請を満たす物理理論を相対性理論という。
 
 ニュートン力学は,ガリレイの相対性原理を満たし,すべての慣性系を同等とみなす相対性理論であったが,相対速度が光速に近づくと結果が特殊相対性理論と異なる。
このため,現在は,相対性理論といわれるのは ,特殊相対性理論,一般相対性理論,統一場理論を指す。なお,単に相対性理論というときは特殊相対性理論を意味する場合が多い。

  ページの先頭へ

 【電磁気学・光学・天文学】

 電磁気学(electromagnetism)
 電気と磁気に関する現象全般を研究する物理学の基礎部門である。その始まりは,電荷と電流の間の電磁気力について研究する電気学と磁気学は別の学問だったが,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が統合された。
 初期の電磁気学で対象とした電磁的現象は,磁石が磁性体を引き寄せる現象,琥珀などの樹脂(ブラスチック)などの摩擦で軽い物体を引き寄せる現象,雷や稲妻の現象などであった。
 現在では身の周りの殆ど全ての現象が電磁的現象として捉えられ,電荷と電磁場の相互作用として説明する理論体系が電磁気学である。従って,光学電磁気学の一部門になっている。
 
 光学(optics)
 の振舞いと性質,光と物質の相互作用について研究する物理学である。は電磁波の一種のため,電磁気学の一部門でもある。
 光学は,光を光線とみなし,その反射,屈折,結像などを論じる幾何光学と,光を波動とみなし,その干渉,回折,偏光,分散などを論じる物理光学とに大別される。
 光学で通常扱うのは,電磁波のうち光と呼ばれる波長域(可視光,赤外線,紫外線など)である。光学は,研究対象により次の様に分類される。
 光学現象をマクスウェル方程式で研究する分野を電磁光学,結晶による複屈折や旋光などを研究する分野を結晶光学,光をスペクトル分解し,光の放射や吸収のメカニズムを研究する分野を分光学,分光学的方法を用いて物性を研究する分野を光物性学,レーザーや原子と光の相互作用を取扱う分野を量子光学,光が視覚に及ぼす効果を研究する分野を色彩学,生理光学という。
 
 天文学(astronomy)
 天体や天文現象などの自然現象の観測や法則の発見など,最も早くから発達したが,望遠鏡が発明されたことにより,学問として飛躍的に進展した。現在の天文学は,位置天文学,天体力学,天体物理学などに分けられる。
 位置天文学(position astronomy)
 観測結果に基づき天球上や宇宙での天体の運動を定める学問である。
 天体力学(Celestial mechanics , Astrodynamics)
 ニュートン力学(古典力学)に基づいて天体の運動と力学を研究する学問理論的に天体の運動を論じる学問である。
 天体物理学(astrophysics)
 宇宙物理学ともいわれ,天体の物理的性質(光度・密度・温度・化学組成など)や天体間の相互作用などを研究する学問である。
 天体物理学は,観測手法(天体測光学,天体分光学など)によって,天体の放出する電波を研究する電波天文学,赤外線を研究する赤外線天文学,X線を研究するX線天文学などに分けられることもある。

  ページの先頭へ

 【量子力学・原子物理学】

 量子力学(Quantum mechanics)
 分子,原子,原子核,素粒子などの微視的な物理現象を扱う理論で,一般相対性理論とともに,現代物理学の根幹を成すといわれている。
 量子力学は,不確定性原理や相補性原理により,事象を確率的にのみ記述する点で,古典力学,古典的な電磁気学と大きく異なる。また,量子力学は,量子色力学(Quantum chromodynamics :QCD),量子電磁力学(Quantum electrodynamics :QED)の他に,量子脳理論,クオンタム・マインド,量子意識など心または意識に関する量子力学的アプローチなども行われている。
 
 量子力学自身は,微視的な現象を扱う理論であるが,微視的な系の集まりとして巨視的な系を解析する量子統計力学では,古典力学で説明困難な巨視的現象も記述することができる。
 これにより,巨視的現象の超伝導,超流動への適用以外にも,生物や宇宙のようなあらゆる自然現象も量子力学の対象となる。
 しかし,量子力学の理論には,いくつかの難点や矛盾を含んでおり,相対論的量子力学の完成には至っていない。
 
 代表的な量子力学の理論には,シュレーディンガー方程式を基礎とする波動力学(wave mechanics),ハイゼンベルクの運動方程式を基礎とする行列力学(matrix mechanics)がある。なお,シュレーディンガー方程式とハイゼンベルクの運動方程式は数学的に等価である。
 波動力学
 シュレーディンガー方程式を利用する非相対論的量子力学の分野である。
 行列力学
 量子論をハイゼンベルク描像で行列表示を用いて定式化したもので,マトリックス力学とも呼ばれる。
 
 原子物理学(atomic physics)
 ニュートン力学が成立せず,量子力学が必要となる原子レベルのサイズ(~ 10-10m )における物理学である。
 原子物理学の始まりでは,原子自体の性質や構造を対象としていたが,現在では研究分野が拡大・分化し,原子を構成する原子核,素粒子の研究(原子核物理学,素粒子論)や,物質の性質を基本粒子の性質から説明する分野(物性論)をも含めた総称となっている。
 
 素粒子物理学(particle physics)
 物質の基本的な構成要素(素粒子)とその運動法則を研究対象とする物理学を素粒子物理学といい,素粒子論(素粒子理論)と素粒子実験に分けられる。
 また,粒子加速器を用いて高エネルギーを持つ粒子の衝突反応の観測など,実験的に素粒子を研究する分野を高エネルギー物理学と呼ぶ。

  ページの先頭へ