物理学は、自然界で起きることをできるだけ少ない原理から説明しようとする学問です。落ちるリンゴと月の運動を同じ法則で説明する——そういう形の単純化を繰り返してきました。
特徴は、扱う量がすべて測れる量だという点にあります。長さ・質量・時間といった基本量の組み合わせで表せないものは、物理の議論には乗りません。だから物理の議論はまず「何をどの単位で測るか」から始まります。
もうひとつの特徴は、理論に適用範囲があることです。ニュートン力学は日常のスケールでは非常に正確ですが、光速に近い運動や原子のスケールでは合わなくなります。そこで相対性理論や量子力学が要る。古い理論が間違いになるのではなく、通用する範囲が決まっていると考えます。
この分野で扱うもの
- 物理の基礎 — 物理量・単位・次元。すべての議論の前提。
- ニュートン力学 — 力と運動の関係。物理の出発点。
- 振動 — 繰り返す運動。波や量子力学へつながる。
- 拘束系・連続体力学 — 束縛のある運動と、連続体としての物質の扱い。
- 相対性理論 — 高速の運動と重力。ニュートン力学の適用範囲の外側。
- 電磁気学 — 電荷と電磁場。相対性理論と深く結びつく。
- 熱力学・統計力学 — 多数の粒子を統計的に扱う。
- 量子力学 — 原子スケールの振る舞い。
- 解析力学 — 力学を一般座標で再定式化したもの。
どこから読むとよいか
物理の基礎からニュートン力学へ進むのが標準的です。相対性理論と量子力学は、ニュートン力学のどこが破綻するかを知ってからのほうが意味が掴めます。
これから書き足すこと
この記事はまだ入口の説明までです。以下は今後書き足していく予定の項目です。
- 理論の適用範囲という考え方
- 実験と誤差の扱い
- 保存則の意味
- 各理論が生まれた経緯