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物理学は、物質、その基本的構成要素、空間と時間におけるその運動と挙動、および関連するエネルギーと力の実体を科学的に研究する学問です。[ 3 ]これは最も基本的な科学分野の1つです。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]物理学の分野を専門とする科学者は物理学者と呼ばれます。
物理学は最も古い学問分野の1つです。[ 7 ]過去2千年ほどの間、物理学、化学、生物学、および数学の特定の分野は自然哲学の一部でしたが、 17世紀の科学革命中に、これらの自然科学は別々の研究分野に分かれました。物理学は、生物物理学や量子化学など、多くの学際的な研究分野と交差しており、物理学の境界は厳密に定義されていません。物理学の新しいアイデアは、他の科学で研究されている基本的なメカニズムを説明することが多く[ 4 ]、これらの分野や数学や哲学などの他の学問分野における新しい研究の方向性を示唆します。
物理学の進歩はしばしば新しい技術を可能にする。例えば、電磁気学、固体物理学、原子核物理学の理解の進歩は、テレビ、コンピューター、家電製品、核兵器など、現代社会を変革した技術の開発に直接つながった。[ 4 ]熱力学の進歩は工業化の発展につながり、力学の進歩は微積分学の発展を促した。
物理学という言葉は、ラテン語のphysica （「自然の研究」）に由来し、これはギリシャ語のφυσική（phusikḗ「自然科学」）からの借用語であり、φύσις（phúsis「起源、性質、特性」）に由来する用語である。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
天文学は最も古い自然科学の一つです。 紀元前3000年以前に遡るシュメール人、古代エジプト人、インダス文明などの初期文明は、太陽、月、星の動きに関する予測的な知識と基本的な認識を持っていました。星や惑星は神々を表していると信じられており、しばしば崇拝されていました。星の観測された位置の説明は非科学的で証拠に欠けることが多かったものの、これらの初期の観測は後の天文学の基礎を築きました。星は空を大きな円を描いて移動することが発見されましたが、惑星の位置を説明することはできませんでした。[ 7 ]
アスガー・アーボーによれば、西洋天文学の起源はメソポタミアにあり、西洋の精密科学におけるすべての努力は後期バビロニア天文学に由来する。[ 11 ]エジプトの天文学者は星座と天体の動きに関する知識を示す記念碑を残したが、[ 12 ]ギリシャの詩人ホメロスは『イリアス』と『オデュッセイア』でさまざまな天体について書き、後のギリシャの天文学者は北半球から見えるほとんどの星座に今日でも使われている名前を付けた。[ 13 ]
自然哲学は、古代ギリシャのアルカイック時代（紀元前650年～紀元前480年）に起源を持ち、タレスのようなソクラテス以前の哲学者たちは、自然現象に対する非自然主義的な説明を否定し、すべての出来事には自然的な原因があると宣言しました。[ 14 ]彼らは理性と観察によって検証された考えを提唱し、彼らの仮説の多くは実験で成功しました。[ 15 ]例えば、原子論は、レウキッポスとその弟子デモクリトスによって提唱されてから約2000年後に正しいことが分かりました。[ 16 ]
ギリシャの古典期（紀元前6世紀、5世紀、4世紀）とヘレニズム時代には、自然哲学は様々な探求の方向で発展しました。プラトンの弟子であるアリストテレス（ギリシャ語: Ἀριστοτέλης、Aristotélēs ）（紀元前384年～322年）は、紀元前4世紀に「物理学」に関する重要な論文を含む多くの主題について著作を残しました。アリストテレスの物理学は約2000年にわたり影響力を持ちました。彼のアプローチは、限定的な観察と論理的な演繹的議論を組み合わせたものでしたが、演繹された命題の実験的検証には依拠していませんでした。アリストテレスの物理学における基礎的な業績は、非常に不完全なものでしたが、後の思想家たちがこの分野をさらに発展させるための枠組みを形成しました。今日では、彼のアプローチは完全に取って代わられています。
彼は、運動（および重力）などの概念を四元素の理論で説明しました。アリストテレスは、4つの古典的な元素（空気、火、水、土）それぞれに固有の自然な場所があると信じていました。[ 17 ]密度が異なるため、各元素は大気中の固有の場所に戻ります。[ 18 ]したがって、重さにより、火が一番上にあり、その下に空気があり、次に水があり、最後に土があります。彼はまた、ある元素の少量が別の元素の自然な場所に入ると、より少ない元素は自動的に自身の自然な場所に戻ると述べました。たとえば、地面に火があると、炎は本来あるべき自然な場所に戻ろうとして空中に上がります。彼の運動の法則には、重い物体はより速く落下し、速度は重さに比例し、落下する物体の速度は落下する物体の密度（たとえば空気の密度）に反比例するというものがありました。[ 19 ]彼はまた、激しい運動（別の物体によって力が加えられたときの物体の運動）に関しては、その物体が動く速度は、加えられた力の大きさに比例して速く、強くなると述べている。[ 19 ]運動とその原因の問題は綿密に研究され、世界のすべての運動の究極的な源泉としての「原動力」という哲学的概念につながった（彼の論文『物理学』第 8 巻）。
西ローマ帝国は5世紀に侵略者と内部の衰退によって滅亡し、西ヨーロッパでは知的活動が衰退した。対照的に、東ローマ帝国（一般にビザンツ帝国として知られる）は侵略者の攻撃に抵抗し、物理学を含むさまざまな学問分野を発展させ続けた。[ 21 ] 6世紀には、ヨハネス・フィロポノスが、キリスト教神学に重点を置いた著作が多いものの、科学に対する支配的なアリストテレス的アプローチに異議を唱えた。[ 22 ]
6世紀、ミレトスのイシドロスはアルキメデスの著作を重要な形で編纂し、それがアルキメデス・パリンプセストに写本された。 イスラム世界の学問はギリシャ人からアリストテレス物理学を受け継ぎ、イスラム黄金時代にそれをさらに発展させた。
イスラム学における最も注目すべき革新は光学と視覚の分野であり、[ 23 ]イブン・サフル、アル・キンディー、イブン・アル・ハイサム、アル・ファーリスィー、アヴィセンナなどの多くの科学者の業績から生まれた。イブン・アル・ハイサムは著書『光学の書』（別名『キターブ・アル・マナーズィル』）の中で、光線の概念を古代ギリシャの視覚光線の概念に代わるものとして提示した。プトレマイオスと同様に、イブン・アル・ハイサムは制御された実験を適用し、光線の新しい概念で屈折と反射の法則を検証したが、像形成の概念はまだ欠けていた。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]
物理学は、近世初期のヨーロッパ人が実験的かつ定量的な方法を用いて、現在では物理法則と考えられているものを発見したときに、独立した科学となった。[ 27 ]
この時期の主な発展としては、太陽系の地球中心モデルが太陽中心のコペルニクスモデルに置き換えられたこと、惑星の運動を支配する法則（ヨハネス・ケプラーが1609年から1619年の間に決定）、16世紀と17世紀におけるガリレオの望遠鏡と観測天文学に関する先駆的な研究、そしてアイザック・ニュートンによる運動の法則と万有引力の法則の発見と統一（後に彼の名が冠されることになる）などが挙げられる。[ 28 ]ニュートンと、ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツは、連続変化の数学的研究である微積分を開発し[ 29 ]、ニュートンはそれを物理問題の解決に応用した。[ 30 ]
熱力学、化学、電磁気学における法則の発見は、エネルギー需要の増加に伴う産業革命期の研究努力の結果である。 [ 32 ] 19世紀末までに、熱力学、力学、電磁気学の理論は、多種多様な観測結果と一致するようになった。これらの理論を総合すると、後に古典物理学と呼ばれるものの基礎となった。[ 33 ] : 2
いくつかの実験結果は説明がつかなかった。古典電磁気学は波の伝播を支える媒質、すなわち光を伝えるエーテルを前提としていたが、この媒質は検出できなかった。高温で光る黒体からの光の強度は、熱力学や電磁気学の予測と一致しなかった。照射された金属からの電子放出の性質も予測とは異なっていた。これらの失敗は、全体像から見れば取るに足らないように見えるが、20世紀最初の20年間で物理学界を揺るがすことになった。[ 33 ]
現代物理学は、 20世紀初頭にマックス・プランクの量子論の研究とアルベルト・アインシュタインの相対性理論によって始まった。これらの理論はどちらも、特定の状況における古典力学の不正確さから生まれた。古典力学は、光速が観測者の運動に依存すると予測していたが、これはマクスウェルの電磁気方程式で予測される一定速度では解決できなかった。この矛盾は、高速で移動する物体に対して古典力学に取って代わり、光速が一定であることを可能にしたアインシュタインの特殊相対性理論によって修正された。[ 37 ]黒体放射は古典物理学にとって別の問題であったが、プランクが物質振動子の励起は周波数に比例する離散的なステップでのみ可能であると提唱したことで修正された。これは、光電効果と電子軌道の離散的なエネルギー準位を予測する完全な理論とともに、量子力学の理論が非常に小さなスケールで古典物理学を改善することにつながった。[ 38 ]
量子力学は、ヴェルナー・ハイゼンベルク、エルヴィン・シュレーディンガー、ポール・ディラックによって開拓されることになる。[ 38 ]この初期の研究と関連分野の研究から、素粒子物理学の標準模型が導き出された。[ 39 ] 2012年にCERNでヒッグス粒子と一致する性質を持つ粒子が発見された後、 [ 40 ]標準模型で予測されたすべての基本粒子が存在し、それ以外の粒子は存在しないように見える。しかし、超対称性などの理論を含む標準模型を超える物理学は、活発な研究分野である。[ 41 ]確率や群の研究など、数学全般の分野はこの分野にとって重要である。
物理学は多種多様な系を扱いますが、特定の理論はすべての物理学者が利用しています。これらの理論はそれぞれ何度も実験的に検証され、自然界を適切に近似していることが確認されています。これらの中心的な理論は、より専門的な分野の研究において重要なツールであり、専門分野に関わらず、すべての物理学者はこれらの理論に精通していることが求められます。具体的には、古典力学、量子力学、熱力学、統計力学、電磁気学、特殊相対性理論などが挙げられます。
20世紀初頭の数十年間、物理学は量子力学と相対性理論の発見によって革命的な変化を遂げた。これらの変化は非常に根本的なものであり、これらの新しい概念は「現代物理学」の基礎となり、他の分野は「古典物理学」となった。物理学の応用の大部分は本質的に古典物理学に基づいている。[ 42 ]：xxxi 古典物理学の法則は、重要な長さスケールが原子スケールよりも大きく、運動速度が光速よりもはるかに遅い系を正確に記述する。[ 42 ]： xxxiiこの領域以外では、観測結果は古典力学による予測と一致しない。[ 33 ]： 6
古典物理学には、20 世紀初頭より前に認識され、十分に発展した伝統的な分野とトピック、すなわち古典力学、熱力学、電磁気学が含まれます。[ 33 ] : 2古典力学は、力が作用する物体と運動する物体に関係しており、静力学(加速度を受けない物体または複数の物体に作用する力の研究)、運動学(原因に関係なく運動を研究する)、動力学(運動とそれに影響を与える力を研究する) に分けられます。力学は、固体力学と流体力学(連続体力学としてまとめて知られています) にも分けられ、後者には静水力学、流体力学、空気力学などの分野が含まれます。音響学は、音がどのように生成、制御、伝達、受信されるかを研究する学問です。[ 43 ]音響学の重要な現代の分野には、人間の聴覚範囲を超える非常に高い周波数の音波を研究する超音波学、動物の鳴き声と聴覚の物理学である生物音響学などがあります。 [ 44 ]および電気音響学、電子機器を使用して可聴音波を操作すること。[ 45 ]
光学は光の研究であり、可視光だけでなく赤外線や紫外線も扱います。赤外線や紫外線は、可視光以外の可視光の現象、例えば反射、屈折、干渉、回折、分散、偏光などをすべて示します。熱はエネルギーの一形態であり、物質を構成する粒子が持つ内部エネルギーです。熱力学は、熱と他の形態のエネルギーとの関係を扱います。電気と磁気は、19 世紀初頭に両者の密接な関係が発見されて以来、物理学の単一の分野として研究されてきました。電流は磁場を生じさせ、変化する磁場は電流を誘起します。静電気学は静止した電荷を扱い、電気力学は運動する電荷を扱い、静磁気学は静止した磁極を扱います。
20世紀初頭の数十年間における相対性理論と量子力学の発見は、それまでに開発された物理理論のほとんどの実用的価値を損なうことなく、物理学の概念的基盤を変革しました。その結果、物理学のトピックは「古典物理学」と「現代物理学」に分けられるようになり、後者のカテゴリーには量子力学と相対性理論に関連する効果が含まれます。[ 33 ]：2 古典物理学は一般的に通常の観測スケールでの物質とエネルギーに関心がありますが、現代物理学の多くは極限条件下または非常に大きいスケールまたは非常に小さいスケールでの物質とエネルギーの挙動に関心があります。たとえば、原子物理学と核物理学は、化学元素を識別できる最小スケールでの物質を研究します。素粒子物理学は、物質の最も基本的な単位に関心があるため、さらに小さなスケールです。この物理学の分野は、粒子加速器で多くの種類の粒子を生成するために必要な非常に高いエネルギーのため、高エネルギー物理学としても知られています。このスケールでは、空間、時間、物質、エネルギーに関する通常の常識的な概念はもはや有効ではありません。[ 46 ]
現代物理学の二つの主要な理論は、空間、時間、物質の概念について、古典物理学とは異なる像を提示している。古典力学は自然を連続的なものとして近似するのに対し、量子論は原子および亜原子レベルでの多くの現象の離散的な性質、およびそのような現象の記述における粒子と波の相補的な側面に関心を寄せている。相対性理論は、観測者に対して運動している参照系で起こる現象の記述に関心を寄せている。特殊相対性理論は重力場の存在しない運動に関心を寄せ、一般相対性理論は運動と重力との関連に関心を寄せている。量子論と相対性理論はどちらも、現代物理学の多くの分野で応用されている。[ 47 ]
現代物理学における基本的な概念には、以下のようなものがある。
物理学者は、物理理論の妥当性を検証するために科学的方法を用います。理論の含意を関連する実験や観察から得られた結論と比較する体系的なアプローチを用いることで、物理学者は論理的、偏りのない、再現可能な方法で理論の妥当性をより適切に検証することができます。そのため、理論の妥当性または不当性を判断するために実験が行われ、観察が行われます。[ 48 ]
科学法則とは、ニュートンの万有引力の法則のように、ある理論の基本原理を表す関係を簡潔に言葉や数式で表現したものである。[ 49 ]
理論家は、既存の実験結果と一致し、将来の実験結果をうまく予測できる数学モデルの開発を目指し、実験家は、理論的予測を検証し、新しい現象を探求するための実験を考案し、実施する。理論と実験は別々に開発されるが、互いに強く影響し合い、依存し合っている。物理学の進歩は、実験結果が既存の理論では説明できない場合に、適用可能なモデリングに集中的に取り組むよう促し、新しい理論が実験的に検証可能な予測を生み出し、それが新しい実験（および関連する装置）の開発を促す場合に、しばしば起こる。[ 50 ]
理論と実験の相互作用に取り組む物理学者は現象学者と呼ばれ、実験で観察される複雑な現象を研究し、それらを基本的な理論と関連付けようとします。[ 51 ]
理論物理学は歴史的に哲学からインスピレーションを得ており、電磁気学もこのようにして統一されました。[ b ]理論物理学の分野は、既知の宇宙を超えて、並行宇宙、マルチバース、高次元などの仮説的な問題も扱います。 [ c ]理論家は、既存の理論の特定の問題を解決することを期待してこれらのアイデアを持ち出し、これらのアイデアの帰結を探求し、検証可能な予測を行うよう努めます。
実験物理学は工学や技術によって拡大し、またそれらによって拡大される。基礎研究に携わる実験物理学者は、粒子加速器やレーザーなどの装置を用いて実験を設計・実施する一方、応用研究に携わる実験物理学者は、磁気共鳴画像法（MRI）やトランジスタなどの技術開発を行う産業界で働くことが多い。ファインマンは、実験家は理論家によって十分に探求されていない領域を探求する可能性があると指摘している。[ 52 ]
物理学は、素粒子（クォーク、ニュートリノ、電子など）から銀河の超銀河団まで、幅広い現象を扱います。これらの現象には、他のすべてのものを構成する最も基本的な物体が含まれます。そのため、物理学は「基礎科学」と呼ばれることもあります。[ 53 ]物理学は、自然界で起こるさまざまな現象を、より単純な現象で説明することを目的としています。したがって、物理学は、人間が観察できるものを根本原因に結びつけ、さらにこれらの原因同士を結びつけることを目指しています。
例えば、古代中国人は、特定の岩石（磁鉄鉱と磁石）が目に見えない力によって互いに引き合うことを観察しました。この効果は後に磁気と呼ばれ、17 世紀に初めて厳密に研究されました。しかし、中国人が磁気を発見する以前にも、古代ギリシャ人は琥珀などの他の物体を知っており、毛皮でこすると、両者の間に同様の目に見えない引力が生じることを知っていました。[ 54 ]これも 17 世紀に初めて厳密に研究され、電気と呼ばれるようになりました。このように、物理学は自然界の 2 つの観察を何らかの根本原因（電気と磁気）の観点から理解するようになりました。しかし、19 世紀のさらなる研究により、これら 2 つの力は、電磁気という 1 つの力の 2 つの異なる側面であることが明らかになりました。この力を「統一」するプロセスは今日まで続いており、電磁気と弱い核力は現在、電弱相互作用の 2 つの側面であると考えられています。物理学は、自然がなぜそのようになっているのかという究極的な理由（万物の理論）を見つけようとしています（詳細については、下記の「現在の研究」のセクションを参照してください）。 [ 55 ]
物理学の研究は、数多くの分野で絶えず進歩を続けている。
凝縮系物理学において、重要な未解決の理論的問題の一つは高温超伝導である。[ 56 ]多くの凝縮系実験は、実用的なスピントロニクスや量子コンピュータの作製を目指している。[ 57 ] [ 58 ]
素粒子物理学では、標準模型を超える物理学の最初の実験的証拠が現れ始めている。その中でも最も重要なのは、ニュートリノがゼロでない質量を持つという兆候である。これらの実験結果は、長年の太陽ニュートリノ問題を解決したように見え、質量を持つニュートリノの物理学は、活発な理論的および実験的研究の分野であり続けている。大型ハドロン衝突型加速器はすでにヒッグス粒子を発見しているが、今後の研究は、素粒子物理学の標準模型を拡張する超対称性を証明または反証することを目指している。暗黒物質と暗黒エネルギーの主要な謎の性質に関する研究も現在進行中である。[ 59 ]
高エネルギー物理学、量子物理学、天文学の分野では大きな進歩が見られましたが、複雑性[ 60 ]、カオス[ 61 ] 、乱流[ 62 ]などを含む多くの日常的な現象は、依然として十分に理解されていません。力学と力学を巧みに応用すれば解決できそうな複雑な問題も未解決のままです。例としては、砂山の形成、滴り落ちる水の節、水滴の形状、表面張力の破局のメカニズム、揺らされた異種集合体の自己選別などが挙げられます。[ d ] [ 63 ]
これらの複雑な現象は、1970年代以降、いくつかの理由からますます注目を集めるようになりました。その理由の一つは、現代の数学的手法やコンピュータが利用可能になったことで、複雑なシステムを新しい方法でモデル化できるようになったことです。複雑な物理学は、空気力学における乱流の研究や生物システムにおけるパターン形成の観察に代表されるように、ますます学際的な研究の一部となっています。1932年の『Annual Review of Fluid Mechanics』で、Horace Lambは次のように述べています。[ 64 ]
私はもう老人ですが、死んで天国に行ったら、二つの事柄について悟りを開きたいと思っています。一つは量子電磁力学、もう一つは流体の乱流運動です。そして、前者についてはかなり楽観的です。
物理学の主要分野、その下位分野、およびそれらが用いる理論と概念を以下の表に示す。
20世紀以降、物理学の各分野はますます専門化が進み、今日ではほとんどの物理学者が生涯を通じて単一の分野で研究を行っている。アインシュタイン（1879～1955）やレフ・ランダウ（1908～1968）のように複数の物理学分野で研究を行った「普遍主義者」は、現在では非常に稀である。[ e ]
現代の物理学研究は、大きく分けて原子核・素粒子物理学、凝縮系物理学、原子・分子・光学物理学、天体物理学、応用物理学に分類できる。物理学科の中には、物理教育研究や物理学普及活動を支援しているところもある。[ 65 ]
素粒子物理学は、物質とエネルギーの基本構成要素とそれらの間の相互作用を研究する学問である。 [ 66 ]さらに、素粒子物理学者は、この研究に必要な高エネルギー加速器[ 67 ]、検出器[ 68 ] 、およびコンピュータプログラム[ 69 ]を設計および開発する。この分野は、多くの素粒子が自然界には存在せず、他の粒子の高エネルギー衝突時にのみ生成されるため、「高エネルギー物理学」とも呼ばれる。[ 70 ]
現在、素粒子と場の相互作用は標準模型によって説明されています。[ 71 ]この模型は、強い力、弱い力、電磁力という基本力を介して相互作用する既知の12個の物質粒子（クォークとレプトン）を説明しています。[ 71 ]ダイナミクスは、物質粒子がゲージボソン（それぞれグルーオン、Wボソン、Zボソン、光子）を交換するという観点から説明されます。[ 72 ]標準模型は、ヒッグス粒子として知られる粒子も予測しています。[ 71 ] 2012年7月、欧州原子核研究機構（CERN）は、ヒッグス機構の不可欠な部分であるヒッグス粒子と一致する粒子を検出したと発表しました。[ 73 ]
原子核物理学は、原子核の構成要素とその相互作用を研究する物理学の分野です。原子核物理学の最もよく知られた応用例は原子力発電と核兵器技術ですが、その研究は核医学や磁気共鳴画像法、材料工学におけるイオン注入、地質学や考古学における放射性炭素年代測定など、多くの分野に応用されています。
原子・分子・光物理学（AMO）は、単一の原子や分子のスケールにおける物質間相互作用および光・物質間相互作用を研究する分野です。これら3つの分野は、相互関係、使用される手法の類似性、および関連するエネルギー尺度の共通性から、まとめて扱われています。3つの分野すべてにおいて、古典的、半古典的、量子的手法が用いられ、対象を微視的な視点（巨視的な視点とは対照的に）から扱うことができます。
原子物理学は原子の電子殻を研究します。現在の研究は、原子やイオンの量子制御、冷却、捕捉、[ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]低温衝突ダイナミクス、電子相関が構造とダイナミクスに及ぼす影響に焦点を当てています。原子物理学は原子核の影響を受けますが（超微細分裂を参照）、核分裂や核融合などの核内現象は原子核物理学の一部と考えられています。
分子物理学は、多原子構造と、それらの内部および外部における物質や光との相互作用に焦点を当てています。光学物理学は、古典的な光場を巨視的な物体によって制御することではなく、光場の基本的な性質と、微視的な領域における物質との相互作用に焦点を当てるという点で、光学とは異なります。
凝縮系物理学は、物質の巨視的な物理的性質を扱う物理学の分野です。[ 77 ] [ 78 ]特に、系内の粒子の数が非常に多く、粒子間の相互作用が強い場合に現れる「凝縮」相に関係しています。[ 57 ]
最もよく知られている凝縮相の例は、原子間の電磁力による結合から生じる固体と液体です。 [ 79 ]より特殊な凝縮相には、極低温の特定の原子系で見られる超流動[ 80 ]とボーズ・アインシュタイン凝縮[ 81 ] 、特定の物質中の伝導電子が示す超伝導相[ 82 ]、原子格子上のスピンの強磁性相と反強磁性相[ 83 ]などがあります。
凝縮系物理学は、現代物理学の中で最大の分野です。歴史的に、凝縮系物理学は固体物理学から発展し、固体物理学は現在、その主要な下位分野の一つと考えられています。[ 84 ]凝縮系物理学という用語は、フィリップ・アンダーソンが1967年に自身の研究グループ（以前は固体理論と呼ばれていた）を改名した際に造語されたようです。 [ 85 ] 1978年、アメリカ物理学会の固体物理学部門は凝縮系物理学部門に改名されました。[ 84 ]凝縮系物理学は、化学、材料科学、ナノテクノロジー、工学と大きく重なり合っています。[ 57 ]
天体物理学と天文学は、物理学の理論と方法を恒星の構造、恒星の進化、太陽系の起源、および宇宙論に関連する問題の研究に応用する学問です。天体物理学は幅広い分野であるため、天体物理学者は通常、力学、電磁気学、統計力学、熱力学、量子力学、相対性理論、原子核物理学および素粒子物理学、原子および分子物理学など、物理学の多くの分野を応用します。[ 86 ]
1931年にカール・ジャンスキーが天体から電波信号が放出されることを発見したことが、電波天文学という学問の始まりとなった。近年では、宇宙探査によって天文学のフロンティアはさらに拡大している。地球の大気による擾乱や干渉のため、赤外線、紫外線、ガンマ線、X線天文学においては、宇宙からの観測が不可欠となっている。
物理宇宙論とは、宇宙の形成と進化を最大規模で研究する学問である。アルバート・アインシュタインの相対性理論は、現代のすべての宇宙論において中心的な役割を果たしている。20世紀初頭、ハッブルがハッブル図によって示されたように宇宙が膨張していることを発見したことで、定常宇宙論とビッグバン理論と呼ばれる対立する説明が生まれた。
ビッグバンは、 1964年のビッグバン元素合成の成功と宇宙マイクロ波背景放射の発見によって確認されました。ビッグバンモデルは、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論と宇宙原理という2つの理論的柱に基づいています。宇宙論学者は最近、宇宙のインフレーション、ダークエネルギー、ダークマターを含む宇宙進化のΛCDMモデルを確立しました。
物理教育または物理教授法とは、現在物理を教えるために用いられている教育方法を指します。この職業は物理教育者または物理教師と呼ばれます。物理教育研究とは、これらの方法を改善しようとする教育学研究の分野を指します。歴史的に、高校や大学レベルでは、物理は主に講義と、講義で教えられた概念を検証するための実験演習を組み合わせた方法で教えられてきました。これらの概念は、講義にデモンストレーション、実践的な実験、そして実験で何が起こるか、なぜ起こるかを学生に考えさせる質問が伴う場合に、よりよく理解されます。実践的な実験など、能動的な学習に参加する学生は、自己発見を通して学びます。試行錯誤を通して、物理現象に関する先入観を変え、その根底にある概念を発見することを学びます。物理教育は、より広い科学教育の分野の一部です。
物理学者は、物理宇宙におけるあらゆる長さスケールと時間スケールでの物質とエネルギーの相互作用を包含する物理学の分野を専門とする科学者です。 [ 87 ] [ 88 ]物理学者は一般的に現象の根本原因または究極原因に関心を持ち、通常は数学的な用語で理解を構築します。彼らは、素粒子物理学から生物物理学、宇宙全体を包含する宇宙論的長さスケールまで、あらゆる長さスケールにわたる幅広い研究分野で活動しています。この分野には一般的に2種類の物理学者が含まれます。自然現象の観察と実験の開発と分析を専門とする実験物理学者と、自然現象を合理化、説明、予測するために物理システムの数学的モデル化を専門とする理論物理学者です。 [ 87 ]
物理学者は、その知識を実用的な問題の解決や新しい技術の開発に応用することができる（応用物理学または工学物理学とも呼ばれる）。[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]
物理学は、他の科学と同様に、物理世界の知識を進歩させるために科学哲学とその「科学的方法」に依拠している。 [ 92 ]科学的方法は、与えられた理論の妥当性を測定するために、先験的推論と後験的推論、およびベイズ推論の使用を採用している。 [ 93 ] 物理学を取り巻く哲学的問題の研究、すなわち物理学の哲学には、空間と時間の性質、決定論、経験主義、自然主義、実在論などの形而上学的見解といった問題が含まれる。[ 94 ]
多くの物理学者が自身の研究の哲学的意味について書いており、例えば因果的決定論を擁護したラプラス[ 95 ]や量子力学について書いたエルヴィン・シュレーディンガー[ 96 ] [ 97 ]などが挙げられる。数理物理学者のロジャー・ペンローズはスティーブン・ホーキングからプラトン主義者と呼ばれており[ 98 ]、ペンローズはこの見解を著書『現実への道』[ 99 ]で論じている。ホーキングは自身を「恥じることのない還元主義者」と称し、ペンローズの見解に異議を唱えた[ 100 ] 。
数学は、自然界の秩序を記述するために用いられる簡潔かつ正確な言語を提供する。これはピタゴラス[ 101 ] 、プラトン[ 102 ]、ガリレオ[ 103 ] 、ニュートンによって指摘され、提唱された。ヒラリー・パトナムやペネロペ・マディなどの理論家は、論理的真理、ひいては数学的推論は経験的世界に依存すると主張する。これは通常、論理法則が世界の構造的特徴に見られる普遍的な規則性を表現しているという主張と結び付けられ、これらの分野間の特異な関係を説明する可能性がある。
物理学は、実験結果を整理し定式化するために数学[ 104 ]を使用します。これらの結果から、正確な解または推定解、あるいは定量的な結果が得られ、そこから新しい予測を立てて実験的に確認または否定することができます。物理実験の結果は、測定単位と測定誤差の推定値を持つ数値データです。計算などの数学に基づく技術により、計算物理学は活発な研究分野となっています。
存在論は物理学の前提条件ではあるが、数学の前提条件ではない。つまり、物理学は究極的には現実世界の記述に関心があるのに対し、数学は現実世界を超えた抽象的なパターンに関心があるということである。したがって、物理学の命題は総合的であり、数学の命題は解析的である。数学には仮説が含まれるが、物理学には理論が含まれる。数学の命題は論理的に真であればよいが、物理学の命題の予測は観測データや実験データと一致しなければならない。
その区別は明確だが、必ずしも自明ではない。例えば、数理物理学は物理学における数学の応用である。その方法は数学的だが、その対象は物理的である。[ 105 ]この分野の問題は、「物理的状況の数学的モデル」（システム）と、そのシステムに適用される「物理法則の数学的記述」から始まる。解決に使用されるすべての数学的記述には、見つけにくい物理的意味がある。最終的な数学的解は、解決者が求めているものであるため、見つけやすい意味を持つ。
物理学は基礎科学（基本科学とも呼ばれる）の一分野です。物理学は、化学、天文学、地質学、生物学を含む自然科学のすべての分野が物理法則によって制約されているため、「基礎科学」とも呼ばれます。[ 53 ]同様に、化学は物理科学を結びつける役割を担っているため、中心科学と呼ばれることがよくあります。たとえば、化学は物質の性質、構造、反応を研究します（化学は分子および原子スケールに焦点を当てているため、物理学と区別されます）。構造は粒子が互いに電気力を及ぼし合うことによって形成され、性質には特定の物質の物理的特性が含まれ、反応はエネルギー、質量、電荷の保存などの物理法則によって制約されます。基礎物理学は、現象そのものに対するより深い洞察以外に、特定の実際的な応用を目標とすることなく、あらゆる分野の現象をよりよく説明し理解することを目指します。
応用物理学とは、特定の用途を目的とした物理学の研究開発全般を指す用語です。応用物理学のカリキュラムには通常、地質学や電気工学といった応用分野の授業がいくつか含まれています。応用物理学者は特定のものを設計するのではなく、物理学を利用したり、物理学の研究を行ったりすることで、新しい技術の開発や問題解決を目指すという点で、工学とは通常異なります。
このアプローチは応用数学のアプローチと似ている。応用物理学者は科学研究において物理学を用いる。例えば、加速器物理学の研究者は、理論物理学の研究のために、より高性能な粒子検出器の開発を目指すかもしれない。
物理学は工学分野で幅広く活用されています。例えば、力学の一分野である静力学は、橋梁をはじめとする静的構造物の建設に用いられます。音響学の理解と応用は、音響制御やより優れたコンサートホールの実現につながり、同様に、光学技術の応用はより高性能な光学機器の開発に貢献します。物理学の理解は、よりリアルなフライトシミュレーター、ビデオゲーム、映画制作を可能にし、法医学捜査においてもしばしば重要な役割を果たします。
物理法則は普遍的であり、時間とともに変化しないという共通認識に基づき、物理学は通常であれば不確実性に満ちた事柄を研究するために利用できる。例えば、地球の起源の研究において、物理学者は地球の質量、温度、自転速度を時間の関数として合理的にモデル化することができ、それによって時間的に前後に外挿し、将来または過去の出来事を予測することができる。また、工学分野におけるシミュレーションを可能にし、新技術の開発を加速させる。
また、学際的な側面も非常に強く、他の多くの重要な分野（例えば、経済物理学や社会物理学の分野）が物理学の影響を受けています。
のうちに、光学の分野は根本的に変容した。
彼はそれまでの物理学を否定し、エネルギーの「量子」の概念を導入した。
リチャード・ファインマンは「乱流は古典物理学における最も重要な未解決問題である」と述べた。
[Journal of Mathematical Physics]の目的は、数理物理学の論文、すなわち物理学の問題への数学の応用、およびそのような応用や物理理論の定式化に適した数学的方法の開発に関する論文を掲載することです。
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）物理学は、あなたの世界と、あなたの周りの世界と宇宙を研究する学問です。
と運動。
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