実験物理学

実験物理学は、物理学の分野における物理現象の観察と実験に関わる学問分野とサブ分野のカテゴリです。方法は分野によって異なり、ガリレオの実験のような単純な実験や観察から、大型ハドロン衝突型加速器のようなより複雑なものまであります。

実験物理学は、データの取得、データの取得方法、詳細な概念化（単純な思考実験を超えたもの）および実験室実験の実現に関係する物理学の分野です。実験物理学は、経験的データの取得よりも自然の物理的動作の予測と説明に重点を置く理論物理学と対比されることが多いです。

実験物理学と理論物理学は、自然の異なる側面に関係していますが、どちらも自然を理解するという同じ目標を共有しており、共生関係にあります。前者は宇宙についてのデータを提供し、それを分析して理解することができます。一方、後者はデータの説明を提供し、よりよいデータ取得方法や実験の設定方法に関する洞察を提供します。理論物理学は、宇宙をよりよく理解するために必要なデータや、それを得るためにどのような実験を考案するかについての洞察も提供できます。

物理学の実験的側面と理論的側面の間の緊張は、ジェームズ・クラーク・マクスウェルによって次のように表現されました。「私たちが訓練の理論的な部分を実践と接触させようと試みて初めて、ファラデーが「精神的惰性」と呼んだものの完全な影響を経験し始めるのです。それは、目の前の具体的な対象物の中で、私たちが本から学んだ抽象的な関係を認識することの難しさだけでなく、心を記号から対象物へ、そして対象物から記号へと引き離すという、気が散る苦痛です。しかし、これは新しいアイデアを得るために私たちが払わなければならない代償なのです。」 ^[1]

実験物理学は、ガリレオ・ガリレイ、クリスティアーン・ホイヘンス、ヨハネス・ケプラー、ブレーズ・パスカル、アイザック・ニュートンなどの物理学者によって、近代ヨーロッパの初期のいわゆる科学革命の時期に確立された、独立した分野です。17世紀初頭、ガリレオは、現代の科学的方法の鍵となる考え方である物理理論を検証するために、実験を広範に利用しました。ガリレオは、力学、特に慣性の法則に関するいくつかの結果を定式化し、首尾よくテストしました。これは、後にニュートンの運動の法則の最初の法則となりました。『ガリレオの2つの新科学』では、登場人物のシンプリシオとサルビアーティの間の対話で、船（動くフレームとして）の動きと、その船の積荷が船の運動に無関係である理由について議論されています。ホイヘンスは、オランダの運河に沿ったボートの動きを使用して、運動量保存の初期の形態を説明しました。

実験物理学は、1687年にアイザック・ニュートン卿（1643年 - 1727年）が『自然哲学の数学的原理』を出版したことで頂点に達したと考えられています。1687年にニュートンは『プリンキピア』を出版し、2つの包括的かつ成功した物理法則を詳述しました。1つは、古典力学の起源となったニュートンの運動の法則、もう1つは重力の基本的な力を説明した万有引力の法則です。どちらの法則も実験とよく一致していました。『プリンキピア』には、流体力学の理論もいくつか含まれていました。

17 世紀後半以降、熱力学は物理学者で化学者のロバート・ボイル、トーマス・ヤング、その他多くの人々によって発展しました。1733 年、ダニエル・ベルヌーイは統計的議論を古典力学と組み合わせて熱力学の結果を導き、統計力学の分野を開始しました。1798 年、ベンジャミン・トンプソン(ランフォード伯爵) は機械的仕事が熱に変換されることを実証し、1847 年、ジェームズ・プレスコット・ジュールは熱と機械的エネルギーの形でエネルギー保存の法則を述べました。19 世紀のルートヴィヒ・ボルツマンは、現代の統計力学の立役者です。

古典力学と熱力学に加えて、物理学におけるもう一つの大きな実験的研究分野は電気の性質でした。17世紀と18世紀にボイル、スティーブン・グレイ、ベンジャミン・フランクリンなどの科学者が行った観察は、その後の研究の基礎を築きました。これらの観察は、電荷と電流に関する基本的な理解も確立しました。1808年までに、ジョン・ドルトンは、異なる元素の原子は異なる重さを持つことを発見し、現代の原子理論を提唱しました。

ハンス・クリスチャン・エルステッドは、近くの電流によってコンパスの針が振れるのを観察した後、電気と磁気の関係を初めて提唱しました。1830年代初頭までに、マイケル・ファラデーは磁場と電気が相互に生成できることを実証しました。1864年、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、電気と磁気のこの関係を説明する一連の方程式を王立協会に提出しました。マクスウェルの方程式は、光が電磁波であることも正しく予測しました。天文学から始まり、自然哲学の原理は物理学の基本法則として結晶化し、その後の数世紀にわたって表明され、改良されました。19世紀までに、科学は専門の研究者がいる複数の分野に細分化され、物理学の分野は論理的には卓越していたものの、もはや科学研究の全分野を独占することはできなくなりました。

著名な実験物理学プロジェクトの例をいくつか挙げます。

• 金イオンなどの重イオン（世界初の重イオン衝突型加速器）と陽子を衝突させる相対論的重イオン衝突型加速器は、米国ロングアイランドのブルックヘブン国立研究所に設置されている。
• HERAは電子または陽電子と陽子を衝突させる装置で、ドイツのハンブルクにあるDESYの一部です。
• LHC（大型ハドロン 衝突型加速器）は2008年に建設が完了したが、一連の挫折に見舞われた。LHCは2008年に運転を開始したが、2009年の夏までメンテナンスのため停止されていた。完成時には世界で最もエネルギーの高い衝突型加速器であり、ジュネーブ近郊のフランスとスイスの国境にある欧州原子核研究機構（CERN）に設置されている。この衝突型加速器は、当初の計画より1年半遅れて、2010年3月29日に全面稼働を開始した。^[2]
• LIGO（レーザー干渉計重力波観測所）は、宇宙の重力波を検出し、重力波観測を天文学のツールとして開発するための大規模な物理学実験および観測所です。現在、LIGO観測所は2つあります。ルイジアナ州リビングストンにあるLIGOリビングストン観測所と、ワシントン州リッチランド近くにあるLIGOハンフォード観測所です。
• JWST、つまりジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、2021年に打ち上げられました。ハッブル宇宙望遠鏡の後継機となり、赤外線領域で空を調査します。JWSTの主な目的は、宇宙の初期段階、銀河の形成、恒星や惑星の形成、そして生命の起源を理解することです。
• ミシシッピ州立アクシオンサーチ（2016年完了）、壁を透過する光実験（LSW）、電磁波源：0.7m、50W連続電波発信器^[3]

実験物理学では、制御された実験と自然実験という 2 つの主な実験研究方法が使用されます。制御された実験は、実験室が制御された環境を提供できるため、実験室でよく使用されます。自然実験は、たとえば天体物理学で、事実上変数を制御することが不可能な天体を観測するときに使用されます。

有名な実験には以下のものがあります:

よく知られている実験手法には以下のものがあります。

有名な実験物理学者には次のような人がいます。

物理実験のリストについては、以下のタイムラインを参照してください。

• 原子物理学と素原子物理学のタイムライン
• 古典力学のタイムライン
• 電磁気学と古典光学のタイムライン
• 重力物理学と相対性理論のタイムライン
• 核融合のタイムライン
• 粒子発見のタイムライン
• 素粒子物理技術のタイムライン
• 物質の状態と相転移のタイムライン
• 熱力学のタイムライン

• 物理
• エンジニアリング
• 実験科学
• 測定器
• パルスプログラミング

• テイラー、ジョン R. (1987)。エラー分析入門 (第 2 版)。大学科学図書。ISBN 978-0-935702-75-0。

• ウィキメディア・コモンズの実験物理学に関連するメディア