物理系（物理学）

定義上の特徴と分類

物理系は物質、エネルギー、またはその両方から成り、位置、温度、運動量、量子状態などの状態変数によって記述される。系は環境との物質およびエネルギーの交換の仕方により分類される。孤立系はどちらも交換せず、閉鎖系はエネルギーを交換するが物質は交換せず、開放系は両方を交換する。量子力学では、相互作用を導入するまで、少数の粒子群を孤立した量子系として扱うことが一般的である。

歴史と概念の発展

研究のために自然の一部を切り分けるという考え方は、科学的方法の基本である。古典力学、熱力学、そして後の量子論が発展するにつれ、物理学者は系の境界と保存則を形式化し、その時間発展を予測した。宇宙全体を一つの系として扱うことは原理上可能であるが、実際には問題を扱いやすくするため、科学者は部分系を解析する。

教育や研究で用いられる典型例には、地球の大気、油圧ポンプ、航空機の翼などの巨視的な装置や構造物がある。また、結晶、原子核、素粒子のような微視的または基本的な系も含まれる。コップ一杯の水のような日常的な物体も、熱の流れ、流体力学、化学的交換を研究するために系としてモデル化される。

系を定義するのはなぜか。それにより方程式が簡略化され、どの保存則が適用されるかが明確になり、観測された挙動を生む機構を切り分けられる。技術者はポンプや翼を開放系としてモデル化して制御戦略を設計し、化学者は系境界を横切る物質とエネルギーを追跡して反応器を解析する。量子デコヒーレンスを研究する物理学者は、小さな系と大きな環境との相互作用を考察する。

チューリングマシンのような純粋に概念的な構成物とは異なり、物理系は、実体のある、または測定可能な対象とその相互作用を指す。ただし、理想化を用いる場合には、概念的モデルと物理的モデルの境界は曖昧になり得る。総じて、系という概念は物理学と工学全般における中心的な整理の道具であり、複雑な自然現象および人工現象を焦点を絞って研究することを可能にする。