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物理学(ぶつりがく, : physics)は、自然科学の一分野である。自然界に見られる現象には、人間の恣意的な解釈に依らない普遍的な法則があると考え、自然界の現象とその性質を、物質とその間に働く相互作用によって理解すること(力学的理解)、および物質をより基本的な要素に還元して理解すること(原子論的理解)を目的とする。化学生物学地学などほかの自然科学に比べ数学との親和性が非常に強い。

古代ギリシアの自然学 (古代ギリシア語: φ?σι?, physis) にその源があり, “physics” という言葉も、元々は自然についての一般的な知識の追求を意味しており、天体現象から生物現象までを含む幅広い概念だった。現在の物理現象のみを追求する “physics” として自然哲学から独立した意味を持つようになったのは19世紀からである。

物理学の古典的な研究分野は、物体運動色彩音響電気磁気波動天体の諸現象(物理現象)である。


目次

1 概論

1.1 物理現象の微視的視点と巨視的視点

1.2 物理学と数学

1.3 物理学の発展と拡張

1.4 他分野との親和性


2 物理学の概略史

2.1 古代

2.2 中世

2.3 近代科学

2.4 電磁気学の発達

2.5 現代物理学


3 今後の方向性

4 主要な分野の一覧

4.1 学問体系

4.2 研究方法

4.3 専門分野

4.4 関連分野・境界領域

4.5 手法


5 基礎概念の一覧

5.1 物理量

5.2 基本的な4つの力

5.3 物質の構成要素


6 図表の一覧

7 関連項目

8 脚注

9 参考文献

10 外部リンク


概論
物理現象の微視的視点と巨視的視点

物理学の研究対象は微視的な現象と巨視的な現象に大別される[要出典]。

[要出典]微視的な視点の代表的なものは素粒子物理学で、自然界に存在するさまざまな物質分子原子電子といった種類の限られた基本要素の組み合わせによって構成されていることを突き止めてきた。素粒子物理学は核子よりさらに基本的な要素であるクォークが存在することを解明し、さらにもっと基本的な要素であるストリングなどが研究されている。また、こうした物質要素の間に働く力が、重力電磁気力弱い力強い力(又は核力)の四種類の力に還元できることも明らかにされてきた。現在知られている相互作用は以上の四つのみである。

[要出典]巨視的な視点からは、液体気体熱エネルギーエントロピーといった巨視的な物理現象が研究される。こうした巨視的現象も原理的には無数の粒子の微視的現象の積み重ねの結果であると考えられているが、構成粒子数が極端に多いために、すべての素過程を記述して、そこから巨視的な現象を導くことは事実上不可能である。一方、こうした巨視的現象には構成粒子の従う法則とは関係なく、物質の巨視的な振る舞いを支配する別個の法則が存在するように見える。例えば、蜂蜜といった液体は、原子レベルにさかのぼらなくても、液体として同じ法則に従って振る舞い、それらの物質的な特性の違いは粘性のような巨視的なパラメータとして表される。

材料力学や流体力学はそうした巨視的現象の法則からなる独立した物理学上の理論体系である。ここで注意しなければならないのは材料力学や流体力学はそれらの適用範囲においては、他の理論から完全に閉じた理論体系として存在していることである。 現代の物理学は、たとえば素粒子論がある一方で熱力学があるように、巨視的現象の理論と微視的現象を記述する力学とをつなぐ理論や現象も、重要なテーマとして研究されている。一般的にこの分野では統計物理学と呼ばれる強力な手法が使われる。ルートヴィッヒ・ボルツマンらによって開発されたこの手法は、構成粒子の振る舞いを統計的に処理することによって、巨視的現象と結びつけるものである。
物理学と数学物理学にとって数学は欠くことのできない道具である。自然現象を数式によって定量的に記述していくことは、物理学における基本的な方法論のひとつであり、どんな教科書にも方程式が、特に微分方程式が、よく登場する。この写真は物理学の教科書の一例で、熱・統計力学に関する本。

物理学では、理論モデル数式として表現することが多い。これは、自然言語で記述するとどうしても厳密さに欠け、定量的な評価や複雑な推論をすることが難しいためである。数学は非常に強力な記号操作体系であるため、推論を一連の計算として実行することが可能なことと、複雑なモデルを正確・簡潔に表現することに適している。このように言語としての数学は、物理学を記述するのに適した特性を備えているが、学問としての物理学と数学は扱う対象も方法論も異なる。

物理学の研究において最も重要なステップの一つは、物理法則を数式に表現する前の段階、観測された事実の中から記述すべき基本的な要素を抽出する行為である[要出典]。電磁気学に貢献したマイケル・ファラデーが正規の教育を受けなかったため、数学的知識がなかったにもかかわらず、さまざまな発見を成し遂げたことや、ノーベル賞を受賞したリチャード・P・ファインマン液体ヘリウムについて論じた論文やジョージ・ガモフが初めてビッグバン理論を提唱した論文には数式が出てこないことは、自然界の中に記述すべき対象を見つけ出す営みが物理学において重要なステップであるということを示している[要出典]。


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