• 吉田 伸夫, 2020: この世界の謎を解き明かす 高校物理再入門。技術評論社, 231 pp. ISBN 978-4-297-11663-7.

2020年10月に出た本。A5判横書きのペーパーバック。表紙や背表紙では「この世界の謎を解き明かす」は小さく、「高校物理再入門」が大きく書いてある。しかし奥づけでは同じ大きさの字で書いてある。書名をどう紹介するかまよった。(読みとばしながらではあるが) なかみを読んで、「この世界の…」も題名にふくめたほうがよいと思った。

わたしは 2021年5月に店頭で見つけて買った。大学初級の物理の教育を分担することになり、学生には高校で物理を学んできた人もこなかった人もいるが、いずれにしても高校物理との接続を考えないといけないと思った。本屋に行くと、それに関係のありそうな本はたくさんある。どれを買うかは気まぐれにきめた。

著者は、宇宙の基本法則を知ることが物理の本すじだという観点にたっている。物理の応用を考えているわたしなどとは重点のおきかたがちがう。著者プロフィールによれば、著者は大学院で素粒子論 (量子色力学) を専攻した。また、「科学哲学や科学史をはじめ幅広い分野で研究を行っている」。

本書には参考文献の記述がない。物理学の知識だけならばまだよいのだが、せっかくある科学史的・科学哲学的な論点が、だれの著作をもとにしたのか、あるいは著者自身の考察なのかが、わからない。これでは、知的刺激をもらう材料にはなるが、教材の根拠にはつかえない。

著者プロフィールには出てこないが、著者は、高校生あるいは大学受験生を指導した経験はたくさんあるらしく、高校物理がどんなものかをよく知っているようだ。著者は、基本法則を知ればそこからみちびけることが、高校物理で「法則」とか「公式」としてあげられていることに批判的で、本書ではそのような話題はとばすか軽くあつかう。しかし、本書では微分積分をつかわないという方針をとった。かわりに、多項式が分母にくる式などを、展開して1次式近似 (線形近似) する方法を冒頭で紹介し、たびたびつかっている。【しかし、なにを線形化するべきかの判断は物理学者の専門的技能で、読者がまねをするのはむずかしいと思う。】

本書では、保存則をみたす量であるエネルギーを重視する。しかし「エネルギーとはなにか」は明示しない。いろいろな種類のエネルギーを順次出していって、エネルギーはその全部をふくむのだという説明になっている。この形でいけるのは、エネルギーという物理用語をつかった話を完全には理解していなくても聞いたことはある人むけの「再入門」だからだと思う。電磁気の章の最初で原子核と電子をもちだせるのも同様だ。

第1章は力学。おもに、重力がはたらく質点系の運動をあつかう。地上の物体に関するガリレオの知見 (実験をもとに理想化して得たもの)と、惑星に関するケプラーの知見とを、ニュートンが統一的に説明した、という科学史的なすじがきになっている。そして、これが「近接力と遠隔力の統一」なのだという。地上で観察される、たとえば石材どうしが押し合うような近接力についてわかっていた作用・反作用の法則が、遠隔力である重力についてもなりたつことがニュートンによってしめされたのだ。ただし、相対論によれば、重力について作用・反作用の法則は正確にはなりたたない。重力が時間をかけてつたわるものだから、反作用は同一時刻に生じないのだ。

銀河の空間スケールの観測事実を説明するために、dark matter があるとされているが、別案として、重力の法則が距離の2乗に反比例からすこしずれているという説もある、という話題もある。

第2章は電磁気学。われわれの知っている近接力の実体はなにか? というところから電磁力にはいる。

著者はMKSA単位系に不満だ。実用がわから決められたアンペアなどの単位にあわせるため、理論上は必要のない定数が必要になるからだ。しかし、妥協としてSI単位をつかっている。

著者は、磁場 H と 磁束密度 B は 物質の磁化を考えないかぎりは区別する必要はなく、B が基本であり、学問的には B を「磁場」というべきだと考えている。これも教材としては妥協して標準とされる用語をつかっている。

電磁場のエネルギーは、電磁場の存在する空間に分布する電場の2乗と磁場の2乗の合計だ、という考えかたが学術的にはただしいとしている。しかし、高校レベルの知識でそのたちばのエネルギーの数量を計算する方法はない。重力の位置エネルギーにならった「電位をもつ場所に置かれた電荷がエネルギーをもつ」という考えかたに、教育上の意義はみとめる。しかし、磁場のなかに置かれた磁荷がエネルギーをもつという考えかたには意義をみとめない。独立した磁荷は観測されるものでなく、相対論のたちばからは磁力の基礎は電荷と電流からなる4次元電流であるからだ。

第3章 「原子物理」とされているが、3節のうち第1節は、振動と波動の基本だ。これが「原子物理」の章にあるのがわたしにはおどろきだった。章の序論で、地震によるゆれやドップラーレーダーの例をあげて、振動・波動には実用的重要性があるともことわってはいるけれど。

ドップラー効果と、波の干渉を、音にも光にも適用できる形でしめしている。量子論にとって重要なのは定在波で、干渉はそのために必要な概念なのだ。

なお、著者は、水素原子のボーア模型を教育の場にもちだすべきではないという。学説史上は重要でも、現代のただしい理解の近似になっていないからだ。

第3章の第3節では、この宇宙の元素がそれぞれどのようにしてできてきたか、現時点の科学が到達した知識を紹介している。

第4章は「熱力学」の章とされているが、実際はほとんど気体分子運動論の講義だ。ボイル・シャルルの法則を経験的事実の理想化として出して、それを古典力学にもとづく気体分子運動論で説明する。分子運動速度のマクスウェル分布が出てくる。著者は、統計力学の考えかたは物理学の本道だと考えて、古典物理の範囲でそれに近づける気体分子運動論をえらんだのだ。現実の気体とくらべて、分子間力を無視しているという欠点は承知のうえである。

それにしても、わたしから見ると、たとえば 朝永 振一郎 『物理学とは何だろうか』[読書ノート] のように、気体のマクロな熱力学の理屈をおさえたうえで、それを気体分子運動論で説明する、という順序で論じてほしかった、という気がする。

折りかえしのあとに くわしい目次をつける。

== 目次 ==
はじめに — “真の物理学” へたどり着くための再入門
本書の特徴
– – (1) 高校物理が他の多くの分野と結びつくことを示した
– – (2) 物理の指導要領にはできるだけ従ったが、逸脱した箇所もある
– – (3) 微積分の知識を前提とする体系化は避けた
– – (4) 物理学の本道から離れる内容は省略した
– – (5) 単位や物理定数の定義にこだわった
– – (6) エネルギーを最重要項目として扱った
頻繁につかう近似式
目次
第1章 力学 — 重力による運動
– 1-1 重力と放物運動
– – 斜面での加速度運動
– – 等加速度運動
– – 落下加速度の斉一性
– – 成分分解
– – 放物運動
– – [ケーススタディ] 月面での放物運動
– – 慣性の法則
– 1-2 ニュートンの重力理論
– – ケプラーの法則
– – 月とリンゴ
– – 月軌道上の加速度
– – ケプラー第3法則の導出
– – 逆2乗則の係数
– – [ケーススタディ] ブラックホールと暗黒物質
– 1-3 力の統一
– – 作用・反作用と万有引力の法則
– – 運動の法則
– – 重力ポテンシャル
– – 重力の位置エネルギー
– – [ケーススタディ] オウムアムアの軌道
– – 力とは何か
– [コラム] 一般相対論入門
第2章 電磁気学 — 粒子と場
– 2-1 静電気力と物質の構造
– – 原子と原子核
– – クーロンの法則
– – 物質を結合させる力
– – 物質の構造
– – 近接力の起源
– – 電場と電位
– – 電気力線
– – コンデンサーの電気容量
– – [ケーススタディ] 雷の発生
– 2-2 磁気と電流
– – 電流と磁場の相互作用
– – 磁場が電流に及ぼす力
– – ローレンツ力
– – アンペールの法則
– – 単位と用語に関する混乱
– – 磁化の扱い
– – 磁場内部での電荷の運動
– – 電磁誘導の法則
– – 電磁波の発生
– – [ケーススタディ] ブラックホールのジェット
– 2-3 電磁場のエネルギー
– – エネルギーの変換
– – エネルギーはどこに蓄えられるか
– – 電気抵抗で消費されるエネルギー
– – コンデンサーに蓄えられるエネルギー
– – 磁場のエネルギーと交流回路
– – [ケーススタディ] 自己エネルギーとくりこみ理論
– [コラム] 電磁気と相対論
第3章 原子物理 — 波動力学の視点
– 3-1 振動と波動
– – 安定な均衡状態
– – 単振動
– – 波動の伝播
– – ドップラー効果
– – 重ね合わせと干渉
– – 定在波の形成
– – [ケーススタディ] 長周期地震動
– 3-2 量子効果と原子の構造
– – 古典論の不安定性
– – 原子が持つエネルギー
– – 物質波のアイデア
– – [ケーススタディ] 水素原子の定在波
– – 現在の解釈
– 3-3 物質はいかにして生まれたか
– – 物質とエネルギー
– – 物質の誕生
– – 原子核と原子の形成
– – 元素の合成
– – 世界はなぜ多様なのか
– – 安定性と多様性が両立する世界
– – [ケーススタディ] 「キログラム」の定義
– [コラム] ボーア模型を教えるべきか
第4章 熱力学 — 統計力学への入り口
– 4-1 流体内の物体の運動
– – ストークスの法則
– – 粘性抵抗と慣性抵抗
– – [ケーススタディ] スポーツ選手が受ける抵抗
– – 理想化という手法
– 4-2 気体分子運動論
– – 気体分子というアイデア
– – ボイル=シャルルの法則
– – 理想気体の分子運動
– – 分子の衝突による力
– – 理想気体の状態方程式
– – [ケーススタディ] ファン・デル・ワールス方程式
– 4-3 熱と温度
– – 気体のエネルギー
– – 熱の流れ
– – マクスウェル分布
– – エネルギーはどのように分配されるか
– – エネルギー等分配則
– – 仕事とエネルギー
– – 熱力学第一法則
– – 気体の熱容量と比熱
– – [ケーススタディ] 筋肉による仕事
– [コラム] エントロピーの正体
終章 — エネルギーとは何であり、なぜ保存するのか
– – 宇宙
– – 原子核と素粒子
– – 生命
– – 物理学による統一的な世界観
– – エネルギーとは何か
– – 物理学の方法論
索引