物理学とは：基礎概念・歴史・主要法則と応用をわかりやすく解説

古代天文学

天文学は最も古い自然科学である。シュメール人、古代エジプト人は、主に予知や宗教を目的として星を研究していました。最初のバビロニアの星図は紀元前1200年頃のものです。天体現象が周期的であるということも、バビロニア人にさかのぼります。彼らの理解は科学的なものではありませんでしたが、彼らの観測は後の天文学に影響を与えました。天文学の多くは、メソポタミア、バビロニア、古代エジプト、古代ギリシャからもたらされました。エジプトの天文学者たちは、空の物体がどのように動くかを示すモニュメントを建て、北半球の星座の名前のほとんどはギリシャの天文学者に由来しています。

自然哲学

自然哲学は哲学者の動きが精神的なものを反論した自然主義と迷信を取り替えたときに紀元前650年のまわりでギリシャで始まった。Leucippusおよび彼の学生Democritusはこの期間のまわりで原子の考えを提案した。

中世イスラム世界の物理学

イスラムの学者たちは、イスラムの黄金時代にアリストテレスの物理学を研究し続けた。主な貢献の一つは観測天文学であった。イブン・サール、アル・キンディ、イブン・アル・ヘイタム、アル・ファリジ、アビセンナのような何人かは、光学と視覚に取り組んだ。イブン・アル＝ハイタムは『光学の書』の中で、視覚に関する以前のギリシャの考えを否定し、新しい理論を提案しました。彼は光がどのように目に入るかを研究し、カメラ・オブスキュラを開発しました。後にヨーロッパの科学者たちは、この本から眼鏡、虫眼鏡、望遠鏡、カメラを作りました。

古典物理学

科学革命後、物理学は独立した研究分野となりました。ガリレオの実験は古典物理学の誕生に貢献した。彼は望遠鏡を発明したわけではないが、夜空を見るときに望遠鏡を使った。彼は、地球は太陽の周りを移動しているというコペルニクスの考えを支持しました（太陽中心主義）。また、重力についても研究した。アイザック・ニュートンはガリレオの考えを利用して、ガリレオの3つの運動法則と万有引力の法則を作りました。これらの法則は、地球の近くに落下する物体の運動と、太陽の周りを回る地球と惑星の運動を説明しています。

数世紀後、産業革命が本格的に起こり、科学の多くの分野でさらに多くの発見がなされました。古典物理学の法則は、光の速さよりもはるかに遅い動きをする物体を研究するのに十分なものであり、微視的ではない。科学者たちが最初に量子力学を研究したとき、彼らは新しい一連の法則を作らなければならなかったのですが、これが近代物理学の始まりでした。

現代物理学

科学者が粒子を研究するうちに、古典力学では説明できなかったことを発見しました。古典力学では、光の速度は変化すると予測していましたが、実験では光の速度は変わらないことがわかりました。これは、特殊相対性理論のアルバートアインシュタインの理論によって予測された。アインシュタインは、空の空間を介して電磁放射の速度は常に同じになると予測した。時空の彼の見解は、空間と時間はかなり別のものだった古代の考えを置き換えます。

マックス・プランクは、なぜ金属に光を当てると電子が放出されるのか、なぜ物質が放射線を放出するのかを説明するために、量子力学を考え出しました。量子力学は、原子を構成する電子、陽子、中性子のような非常に小さなものに適用されます。ヴェルナー・ハイゼンベルグ、アーウィン・シュレーディンガー、ポール・ディラックなどが量子力学の研究を続け、最終的には標準模型ができました。

物理学とは、空間と時間の中のエネルギーと物質、そしてそれらが互いにどのように関係しているかを研究する学問である。物理学者は、質量、長さ、時間、電流の存在を仮定し、これらの基本単位を用いて他のすべての物理量を定義します（意味を与えます）。質量、長さ、時間、電流は決して定義されていませんが、それらを測定するために使用される標準単位は常に定義されています。国際単位系（仏語のSystème InternationalからSIと略される）では、キログラムが質量の基本単位、メートルが長さの基本単位、秒が時間の基本単位、アンペアが電流の基本単位となっています。この4つの単位の他に、物質の量の単位であるモル、光の強さ（照明の力）を表すカンデラ、温度の単位であるケルビンの3つの単位があります。

物理学は、物がどのように動くか、また、物を動かす力を研究しています。例えば、物理学では、速度や加速度を使って、物がどのように動くかを示しています。また、物理学者は、重力、電気、磁気、および物事を一緒に保持する力を研究しています。

物理学は非常に大きなものを研究し、非常に小さなものを研究します。例えば、物理学者は星や惑星、銀河を研究することができますが、原子や電子のような小さな物質を研究することもできます。それだけでなく、彼らはエネルギー、熱、放射能、さらには宇宙と時間を調べることができます。物理学は、物体がどのように動くかだけでなく、どのように形を変えていくか、どのように音を出すか、どのように暑くなるか寒くなるか、そして最小のレベルで何でできているかを理解するのに役立ちます。

物理学は、数で測ることを基本としているので、量的な科学です。物理学では、自然界で何が起こるかを予測しようとするモデルを作るために数学が使用されます。これらの予測は、現実の世界がどのように機能するかと比較されます。物理学者は常に世界のモデルをより良いものにするために努力しています。

古典力学は、ニュートンの運動法則、ラグランジュ力学、ハミルトニアン力学、運動学、静力学、力学、カオス理論、音響学、流体力学、連続体力学などの主要なトピックを含んでいます。古典力学は、自然界で身体に作用する力、力のバランス、平衡状態の維持などについてのすべてのことです。

電磁気学は、特定のボディ上の電荷の研究です。それはそのような静電学、電気力学、電気、磁気、磁気学、マクスウェル方程式、光学などのサブトピックが含まれています。

熱力学や統計力学は、温度に関係する学問である。熱機関、運動論などの主要なトピックを含みます。熱(Q)、仕事(W)、内部エネルギー(U)などの用語を使用します。熱力学の第一法則は、これらの関係を次の式（ΔU = Q - W）で与えてくれます。

量子力学は、原子モデルを考慮した原子レベルの粒子の研究です。サブトピックとして、経路積分定式化、散乱理論、シュレーディンガー方程式、量子場理論、量子統計力学などがあります。

相対性

一般的な説明

物理学とは、物質と物質がどのように相互作用するかについての科学です。物質とは、宇宙に存在するあらゆる物理的物質のことです。すべてのものは物質でできています。物理学は、私たちの周りの物理的な宇宙を記述し、それがどのように振る舞うかを予測するために使用されます。物理学は、物質、運動、力、空間と時間、および自然界の他の特徴を支配する普遍的な法則の発見と特性化に関係する科学である。

物理学の幅と目標

物理学の範囲は広く、物質を構成する最小の構成要素やそれを束ねる力から、銀河やさらに大きなものまで、多岐にわたります。この範囲全体に作用しているように見える力は4つしかありません。しかし、この4つの力（重力、電磁気、放射能に関連した弱い力、原子の中の陽子と中性子を一緒に保持する強い力）でさえも、1つの力の別の部分であると考えられています。

物理学は、物質や宇宙そのものの性格や振る舞いを定義する、これまで以上に単純化し、より一般的で、より正確なルールを作ることを主な目的としています。物理学の主要な目標の一つは、宇宙のすべてに適用される理論を作ることです。言い換えれば、物理学とは、物理宇宙の振る舞いを最も基本的なレベルで定義している普遍的な法則の研究と見ることができます。

物理学は科学的な方法を使用しています。

物理学は科学的方法を用います。すなわち、実験や観測からデータを収集します。これらのデータを説明しようとする理論が作られます。物理学はこれらの理論を用いて、物理現象を記述するだけでなく、物理システムをモデル化し、これらの物理システムがどのように振る舞うかを予測します。そして、物理学者は、これらの予測を観測や実験的証拠と比較して、その理論が正しいか間違っているかを示します。

データの裏付けがしっかりしていて、特に単純で一般的な理論は、科学的法則と呼ばれることがあります。もちろん、法則と呼ばれるものも含めてすべての理論は、データとの不一致が見つかれば、より正確で一般的な法則に置き換えることができます。

物理学は量的

物理学は他のほとんどの科学よりも量的なものです。つまり、物理学における観測の多くは数値的な測定の形で表現されることがあります。物理学の理論のほとんどは、その原理を表現するために数学を使用しています。これらの理論から予測されることのほとんどは数値的なものです。これは、物理学が取り組んできた分野は、他の分野よりも定量的なアプローチの方が優れているからです。科学も高度に発達するにつれて時間の経過とともに定量的になる傾向があり、物理学は最も古い科学の一つです。

物理学の分野

古典物理学は通常、力学、光学、電気、磁気、音響、熱力学の分野を含みます。現代物理学は通常、量子力学、原子物理学、原子核物理学、素粒子物理学、物性物理学、一般相対性理論や特殊相対性理論などのより現代的な分野と同様に、量子論に依存する分野をカバーするために使用される用語ですが、これらの最後の2つは量子論に依存しないため、しばしば古典物理学の分野と考えられています。この違いは古い文献にも見られますが、以前は古典と呼ばれていた分野でも量子効果が重要であると理解されるようになったため、新しい関心はほとんどありません。

物理学におけるアプローチ

物理学の勉強には様々なアプローチがあり、物理学の活動には様々な種類があります。物理学の活動には大きく分けて、データの収集と理論の展開の2つがあります。

物理学のいくつかのサブ分野のデータは実験に適している。例えば、凝縮系物理学や原子核物理学は、実験を実行する能力から利益を得ています。実験物理学は主に経験的アプローチに焦点を当てています。時には実験は自然を探求するために行われ、他のケースでは実験は理論の予測と比較するためのデータを生成するために実行されます。

天体物理学や地球物理学のような物理学の他の分野では、ほとんどのデータが実験ではなく受動的に収集されなければならないため、観測科学が中心となっています。しかし、これらの分野の観測プログラムは、物理学の実験分野で使われているのと同じツールや技術を多く使っています。

理論物理学では、データを説明しようとする理論を発展させるために、多くの場合、定量的なアプローチを使用します。このように、理論物理学者はしばしば数学のツールを使用します。理論物理学はしばしば、物理理論の定量的な予測を作成し、その予測をデータと定量的に比較することを含むことができます。理論物理学では、データが利用可能になる前に物理系のモデルを作成して、これらのモデルをテストしたり、サポートしたりすることもあります。

物理学におけるこの2つの主要な活動、データの収集、理論の作成、テストは、多くの異なるスキルを使用しています。そのため、物理学では多くの専門化が進み、他分野のツールの導入、開発、利用が行われています。例えば、理論物理学者は、数学や数値解析、統計学や確率、コンピュータソフトを仕事の中で使います。実験物理学者は、工学やコンピュータ技術、その他多くの技術分野を利用して、データを収集するための機器や技術を開発しています。多くの場合、これらの他の分野のツールは物理学の必要性に全く合っておらず、変更が必要であったり、より高度なバージョンを作らなければなりません。

現在の理論では説明できないような実験を実験物理学者が行ったり、理論物理学者が実験物理学者が実験を行うことで新しい物理学が発見されたりすることはよくあることです。

実験物理学、工学、技術は関連しています。実験には粒子加速器やレーザーなどの特殊な装置が必要とされることが多く、トランジスタや磁気共鳴イメージングなどの重要な産業応用は応用研究から生まれています。

著名な理論物理学者

有名な理論物理学者には次のような人がいます。

• 天文学
• エネルギー
• 物質
• 時間