物理学とは？

今日のテーマは、物理学とは何か？　です！

私が語るには少々壮大なテーマですが、そこは気にせず語っていきましょう。

物理学とは近似の学問

物理学と聞くと高校のときに散々な目に合っていやになったという方もいるのではないでしょうか？

物理を勉強するときの難しさには2点あるとよく言われており、一つは数学的な（計算など）難しさです。私たちが普段使う日本語などの言語のように、物理では数式を使って自然の世界を表します。そこで複雑な計算などが出てきてわからなくなるというケースがあります。

二つ目は物理的な現象をイメージする難しさです。例えば、その数式がどんな現象を表しているのかということを考えることが難しいわけです。これは程度の差こそあれ例外なく誰にでも当てはまると思います。もちろん物理学者にとっても当てはまるでしょう。

そこでどうしたかというと、見出しにもあるように「近似」という方法を（自分も気づかないうちに）用いて研究を進めてきたのです。自分も気づかないうちにというのは、物理学の究極の目標は自然のすべてを数式で表すことですが、その目標に向かっているつもりが実は近似していたということです。

ただし、近似をすることで自然の法則の大元に近づくというのは、長い目で見れば段階を追っていくという意味で正攻法であるとも思います。それでは近似の歴史を簡単に見ていきましょう。

ニュートン・アインシュタイン・その先へ

まず初めにニュートンの運動方程式というものが物体の運動を記述するものとして登場します。これは高校物理でもおなじみのma=Fというものです。17世紀半ばくらいにニュートンによって書かれたわけですが、これで世界の運動がすべて記述できると期待されていた時代もあったようです。

ところがこの式だけでは説明できない現象が見つかり、どうしたらいいのかと考えていたところに、あのアインシュタインが登場するのです。彼は相対性理論で有名ですが、ノーベル賞を受賞した理由はそれではなく光量子仮説というものでした。

なぜなら、相対性理論は注目されていたものの、物理学者の中でもその理論の価値をどう取り扱ってよいのかわからないほど革新的なものであったからです。もちろん、現在は様々な実験から相対性理論は正しいことが示されています。

ここから最もお伝えしたい部分になりますが、実はニュートンの運動方程式はアインシュタインの相対性理論の近似だったのです。この世界で最も速い粒子は光です。光速で運動しているわけですが、ニュートンの運動方程式は物体の運動がその光速に近づくと成り立たなくなってしまいます。一方でアインシュタインの考え出した式では光速に近い運動をするときでもちゃんと成り立っています！

こうして一つの近似が取り払われて、より一般的だと思われる式ができました。これは物理学の歴史の大きな流れの一つですが、この流れは世界のすべてを表す式を見つけるという目標に向かっており、言い換えると、近似を取り払う作業でもあるのです。私の頭ではその先はまだよくわからないですが(相対性理論も勉強中です)、相対性理論もまだ究極の式ではなく、何かしらの近似になっているはずです。

物理学者の研究の目的の一つは近似を取り払うことだと私は思っています。近似を取り払うという作業が終わると究極の式が見えてくるのでしょうか？まだまだ分かっていないことも多いですが、どうなっているのか考えるだけでもワクワクしますね。

私ももっと勉強して多くの人に興味をもってもらえるようわかりやすく伝えられる記事を書きたいと思います。楽しみに待っていてください。