物理学とは何ですか?

正直なところ，物理学とは何かということをはっきりと定義することはとても難しいです。ひとつには，物理学がいつも変化しているということがあります。物理学では何か新しい発見があり，進歩するたびにその変化が続いていきます。新しい理論は単に新しい答えを与えるというようなものではありません。それはまた，以前の物理学の枠で見た時には無意味だったような新しい質問を創りだします。これが物理学をエキサイティングで面白いものにします。しかし，それはまた物理学とは何かを定義する時，物理学をより一般化するような方向にと働きます。一般化というのは，物理学は以前こういうものだった，というものよりも，むしろいつかの未来で物理学はこんなものになるかもしれない，というようなことです。これが物理学とは何かということをはっきり定義するのが難しい理由です。

つまるところ定義は便利なものです。もしあなたがそうだと思った定義があればそれがあなたの定義ということでもいいかもしれません。ただし，ほとんどの場合，物理学者たちは次のようなことをしようとします:

画像の著作権: 原子の中への冒険, 1948 General Electric, George Roussos (パブリックドメイン)

確かにここでこのように物理学をたった 2 つのことにまとめるということは，簡単にしすぎています。そんなに簡単に言ってしまうと，物理学が何をするとか，どのようにするかの詳しい点のいくつかが失なわれてしまうことでしょう。しかし複雑な宇宙を，シンプルで役に立つ明白な法則で表現しようとすることこそが物理学の全てです。すると物理学とは何なのか，という複雑な活動をシンプルで明らかな定義で表現しようとすることは，多分，結局そんなに悪い考えではないでしょう。

物理学では，どうして物体が私たちの目の前にあるように動くのかということを説明しようとします。しかしながら，もし私たちが物体がどのように動くかを記述する方法を知らなければ，動きを説明するのは難しいでしょう。ですからまずは， 1 次元の運動 と 2次元の運動 というトピックで，物体の運動を正確に記述する方法について学びます。そしていくつかの特別な場合について，物体の運動を予測します。

私たちの目の前の運動を正確に記述する能力を使って，力とニュートンの法則では力という概念を使うとどうして，物体がその運動を変化させるのかという理由を説明することができるようになるのかを学びます。

それから私たちはいくつかの保存則が物体の運動を説明するもう 1 つの方法であることを見ていきます。そうやって私たちの運動を扱う能力を広げていき，マスターしていきます。ここでの保存則はあるシステムの動きはどのように変化できるかについての制約を与えてくれます。エネルギー保存則は仕事とエネルギー にて学ぶことになるでしょう。そして運動量の保存則は，衝突と線形運動量にて学ぶことになるでしょう。

ここまでは，主に物体の回転運動は変化させないような状況を考えてきました。しかし，モーメント，トルク，角運動量では回転の運動をどのように記述するのかと，どのように説明するのかについて学んでいきます。そしてそこでは，新しい保存則，角運動量保存則，も学びます。

ここより先，私たちは新しい力と現象の多様な面を分析するために，これまでに学んだ運動，力，保存則を使っていきます。液体や気体をどのように扱うかは 液体 と熱力学 で学ぶでしょう。それから 電気と 磁性にて，私たちは電気力と磁力という新しい 2 つの力について学びます。電気回路で私たちは電気力がどのように電流を起こすのかについて見ていきます。光学で私たちは電磁波 (例: 光) が屈折や反射する様子を調べていくことになります。光について学んだ後には，私たちはアインシュタインの特殊相対性 理論を学ぶべきでしょう。そしてこれらはたくさんある話題の中のいくつかの例でしかありません。

この講座の終わりには，あなたは物理学の入門についてと，宇宙を記述し説明するために物理学者が使っている数学の道具についての良い理解を得ているはずです。しかしこのような簡単な概要では物理学の興味深くて強力な面の全てを言い表すことはできません。それをみつける一番良い方法は，この講座の中身を見ていき，自分で確かめることです。