科学法則

科学法則または科学の法則とは、繰り返し行われた実験や観察に基づいて、さまざまな自然現象を記述または予測する記述のことです。^{[ 1 ]} 「法則」という用語は、自然科学のすべての分野（物理学、化学、天文学、地球科学、生物学）において、多くの場合（近似的、正確、広義、狭義）に多様な用法があります。法則はデータから導き出され、数学によってさらに発展させることができます。いずれの場合も、直接的または間接的に経験的証拠に基づいています。一般的に、法則は現実の根本的な因果関係を明示的に主張するものではなく、暗黙のうちに反映しており、発明されるのではなく発見されるものだと理解されています。^{[ 2 ]}

科学法則は、実験や観察の結果を、通常は一定の適用範囲内で要約したものです。一般的に、関連する現象に関する新しい理論が構築されても、法則の正確さは変わりません。むしろ、法則を表す数式や記述は変わらないため、法則の適用範囲が広がるだけです。他の種類の科学的知識と同様に、科学法則は数学法則のように絶対的な確実性を表すものではありません。科学法則は、将来の観察によって反証されたり、制限されたり、拡張されたりする可能性があります。

法則は、実験の結果を予測できるように、 1つまたは複数の命題や方程式として定式化されることが多い。法則は、実験や観察による検証の前と検証中に科学的プロセスで提案される仮説や公準とは異なる。仮説や公準は、法則の定式化につながる可能性はあるものの、同じ程度に検証されていないため、法則ではない。法則は、 1つまたは複数の法則を含む可能性のある科学理論よりも範囲が狭い。^{[ 3 ]}科学は、法則や理論を事実と区別する。^{[ 4 ]}法則を事実と呼ぶのは曖昧で、誇張表現、または曖昧な表現である。^{[ 5 ]}科学法則の性質は哲学でたくさん議論されてきたが、科学法則は科学的方法によって到達した経験的結論であり、存在論的コミットメントや論理的絶対性の記述を伴わないように意図されている。

経済学などの社会科学も科学法則を定式化しようと試みてきたが、それらは一般的に予測力がはるかに低い。

科学法則は常に、繰り返しの条件下で物理システムに適用され、システムの要素間の因果関係が存在することを示唆します。 「水銀は標準温度と圧力で液体である」といった事実に基づいた十分に確認された記述は、科学法則として認められるには具体的すぎると考えられています。デイヴィッド・ヒュームに遡る科学哲学の中心的な問題は、因果関係（法則によって示唆されるものなど）と、絶え間ない結合によって生じる原理とを区別することです。^{[ 6 ]}

法則は、現象のメカニズムや説明を仮定しないという点で科学理論とは異なります。法則は、繰り返し観察された結果を単に抽出したものです。そのため、法則の適用範囲は、既に観察された状況に類似した状況に限定され、外挿すると法則が誤りであることが判明する場合があります。オームの法則は線形ネットワークにのみ適用され、ニュートンの万有引力の法則は弱い重力場にのみ適用され、ベルヌーイの原理などの初期の空気力学の法則は、遷音速および超音速飛行で発生するような圧縮性流体には適用されません。フックの法則は弾性限界以下のひずみにのみ適用され、ボイルの法則は理想気体にのみ完全に正確に適用されます。これらの法則は有用ですが、適用される特定の条件下においてのみ有効です。

多くの法則は数学的な形式をとるため、方程式として表すことができます。例えば、エネルギー保存の法則はΔ E = 0と表すことができ、ここでEは宇宙全体のエネルギーの総量です。同様に、熱力学第一法則はd U = δQ − δWと表すことができ、ニュートンの第二法則はF = d p / dtと表すことができます。これらの科学法則は私たちの感覚が知覚するものを説明するものですが、依然として経験的（観察や科学実験によって得られる）であり、純粋に数学によって証明できる数学の定理とは異なります。

理論や仮説と同様に、法則も予測を行う。具体的には、新たな観測結果が与えられた法則に合致すると予測する。法則は、新たなデータと矛盾することが判明した場合、反証される可能性がある。

法則の中には、より一般的な法則の近似に過ぎないものもあり、適用範囲が限定された良質な近似である。例えば、ニュートン力学（ガリレオ変換に基づく）は、特殊相対性理論の低速極限である（ガリレオ変換はローレンツ変換の低速近似であるため）。同様に、ニュートンの万有引力の法則は一般相対性理論の低質量近似であり、クーロンの法則は（弱い相互作用の範囲と比較して）遠距離における量子電磁力学の近似である。このような場合、より正確な一般法則の代わりに、より単純な近似法則を用いるのが一般的である。

法則は、科学の主要な目標の一つである、ますます高い精度で実験的に検証され続けている。法則が破られたことが観察されたことがないという事実は、法則が引き続き有効であるか、あるいは破られるか、そしてその過程で何が発見できるかを確認するために、より高い精度で、あるいは新しい種類の条件下で法則を検証することを妨げるものではない。再現可能な実験的証拠によって、法則が無効になったり、限界があることが証明されたりすることは常に可能である。確立された法則が特定のケースで無効になったことは実際にあるが、矛盾を説明するために作成された新しい定式化は、元の法則を覆すのではなく、一般化している。つまり、無効になった法則は近似値にすぎず、これまで考慮されていなかった条件（例えば、非常に大きな時間スケールや空間スケール、非常に小さな時間スケールや空間スケール、途方もない速度や質量など）をカバーするために、他の項や因子を追加する必要があることがわかった。このような不変の知識というよりも、物理法則は、より精緻で改善された一連の一般化として捉える方が適切である。

科学法則とは、通常、長年にわたる繰り返しの科学実験と観察に基づいて導き出された結論であり、科学界で普遍的に受け入れられているものです。科学法則は、「特定の事実から推論され、定義された現象のグループまたはクラスに適用され、特定の条件が存在する場合に特定の現象が必ず発生するという記述によって表現される」ものです。^{[ 7 ]}このような法則の形で私たちの環境を要約的に記述することは、科学の根本的な目的です。

科学法則、特に物理学の法則に関して言えば、いくつかの一般的な性質が特定されている。科学法則は以下のとおりである。

• 確かに、少なくとも彼らの妥当性の範囲内においては。定義上、再現可能な矛盾する観察結果はこれまで一度も存在したことがない。
• 普遍的。それらは宇宙のあらゆる場所に当てはまるように見える。^{[ 8 ]： 82}
• 簡単です。通常は単一の数式で表されます。
• 絶対的。宇宙の何ものも彼らに影響を与えないようだ。^{[ 8 ]： 82}
• 安定している。最初に発見されて以来変化していない（ただし、より正確な法則の近似値であることが示された可能性はある）。
• すべてを網羅している。宇宙のあらゆるものは、（観測によれば）明らかにこれらの法則に従わなければならない。
• 一般的に数量に関して保守的である。 ^{[ 9 ]： 59}
• 多くの場合、空間と時間の既存の均質性（対称性）の表現である。^{[ 9 ]}
• 通常は理論的には時間的に可逆的である（非量子の場合）が、時間自体は不可逆である。^{[ 9 ]}
• 広範。物理学では、法則は、宇宙のより具体的なシステム（例えば、人間の体の力学など）ではなく、物質、運動、エネルギー、力そのものの広範な領域のみを指します。^{[ 10 ]}

「科学法則」という用語は伝統的に自然科学と関連付けられていますが、社会科学にも法則は存在します。^{[ 11 ]}例えば、ジップの法則は、数学的統計に基づいた社会科学の法則です。これらの場合、法則は絶対的なものではなく、一般的な傾向や予想される行動を記述するものです。

自然科学において、不可能性の主張は、反論の余地のないほど証明されたとみなされるというよりは、圧倒的に蓋然性が高いものとして広く受け入れられるようになる。この強い受容の根拠は、何かが起こっていないという広範な証拠と、予測に非常に成功している基礎理論の組み合わせであり、その理論の前提は、何かが不可能であるという結論を論理的に導く。自然科学における不可能性の主張は決して絶対的に証明されることはないが、単一の反例の観察によって反駁される可能性がある。そのような反例が見つかれば、その不可能性を示唆する理論の前提を再検討する必要が生じる。

物理学において広く受け入れられている不可能なことの例としては、エネルギー保存の法則に違反する永久機関、特殊相対性理論の含意に違反する光速を超えること、粒子の位置と運動量を同時に知ることは不可能であると主張する量子力学の不確定性原理、そして局所隠れ変数の物理理論では量子力学のすべての予測を再現することはできないというベルの定理などが挙げられる。

いくつかの法則は、自然界に見られる数学的な対称性を反映しています（例えば、パウリの排他原理は電子の同一性を反映し、保存則は空間と時間の均質性を反映し、ローレンツ変換は時空の回転対称性を反映しています）。多くの基本的な物理法則は、空間、時間、または自然の他の側面のさまざまな対称性の数学的な帰結です。具体的には、ネーターの定理は、いくつかの保存則を特定の対称性と結びつけています。たとえば、エネルギー保存則は時間のシフト対称性（どの瞬間も他のどの瞬間とも異ならない）の結果であり、運動量保存則は空間の対称性（均質性）（空間内のどの場所も特別ではなく、他の場所と異ならない）の結果です。各基本タイプ（たとえば、電子または光子）のすべての粒子の区別不可能性は、ディラックおよびボーズの量子統計をもたらし、それがフェルミオンのパウリの排他原理とボソンのボーズ・アインシュタイン凝縮につながります。特殊相対性理論では、空間と時間を混合する変換である双曲回転の対称性に従って運動を表現するためにラピディティを用いる。慣性質量と重力質量の間の対称性は、一般相対性理論をもたらす。

質量のないボソンによって媒介される相互作用の逆二乗法則は、空間の3次元性から導かれる数学的な帰結である。

自然界の最も基本的な法則を探求する戦略の一つは、基本的な相互作用に適用できる最も一般的な数学的対称群を探すことである。

化学法則とは、化学に関連する自然法則のことである。歴史的には、多くの経験法則は観察に基づいて導き出されたが、現在では化学の基礎は量子力学にあることが知られている。

定量分析：

化学における最も基本的な概念は質量保存の法則であり、これは通常の化学反応において物質の量に目に見える変化はないという法則である。現代物理学では、実際にはエネルギーが保存され、エネルギーと質量は関連していることが示されている。この概念は原子核化学において重要となる。エネルギー保存の法則は、平衡、熱力学、反応速度論といった重要な概念へとつながる。

化学におけるその他の法則は、質量保存の法則をさらに詳しく説明するものである。ジョセフ・プルーストの定組成の法則は、純粋な化学物質は一定の組成を持つ元素から構成されていると述べているが、現在ではこれらの元素の構造的な配置も重要であることが分かっている。

ドルトンの倍数比例の法則によれば、これらの化学物質は小さな整数比で存在することになります。ただし、多くのシステム（特に生体高分子や鉱物）では、比率は大きな数値を必要とする傾向があり、分数で表されることがよくあります。

定比例の法則と倍数比例の法則は、化学量論の3つの法則のうち最初の2つであり、化学元素が結合して化合物を形成する際の比率を定めています。化学量論の3つ目の法則は逆比例の法則であり、これは各化学元素の当量を決定するための基礎となります。そして、元素の当量を用いて、各元素の原子量を導き出すことができます。

より現代的な化学法則は、エネルギーとその変換との関係を定義している。

反応速度論と平衡：

• 平衡状態では、分子は平衡の時間スケールで起こりうる変化によって定義される混合状態で存在し、その比率は分子の固有エネルギーによって決まります。固有エネルギーが低いほど、その分子は多く存在します。ルシャトリエの原理は、系は平衡状態からの変化に抵抗する、つまり平衡反応の状態変化に抵抗すると述べています。
• ある構造を別の構造に変換するには、エネルギー障壁を越えるためのエネルギー入力が必要です。このエネルギーは、分子自体の固有エネルギー、または変換を促進する外部エネルギー源から得られます。エネルギー障壁が高いほど、変換は遅くなります。
• エネルギー障壁の頂点にある構造に対応する、仮説上の中間体、あるいは遷移構造が存在する。ハモンド・レフラーの仮説によれば、この構造は、エネルギー障壁のエネルギーに最も近い固有エネルギーを持つ生成物または出発物質に最もよく似ている。化学的相互作用によってこの仮説上の中間体を安定化させることは、触媒作用を実現する一つの方法である。
• すべての化学反応は可逆的である（微視的可逆性の法則）が、一部の反応はエネルギー的な偏りを持つため、本質的には不可逆的である。
• 反応速度には、速度定数と呼ばれる数学的なパラメータが存在する。アレニウスの式は、速度定数の温度および活性化エネルギー依存性を示す経験則である。

熱化学：

• デュロン＝プティの法則
• ギブス・ヘルムホルツ方程式
• ヘスの法則

気体の法則：

• ラウールの法則
• ヘンリーの法則

化学物質の輸送：

• フィックの拡散法則
• グラハムの法則
• ラム方程式

数学の定理や公理の中には、経験法則に論理的な基礎を与えるため、法則と呼ばれるものがある。

法則として説明されることもあるその他の観察現象の例としては、惑星の位置に関するティティウス＝ボーデの法則、言語学におけるジップの法則、技術成長に関するムーアの法則などが挙げられる。これらの法則の多くは、いわゆる「不都合な科学」の範疇に属する。一方、意図せざる結果の法則のように、実用的で観察に基づく法則もある。類推的に、他の学問分野における原理も、時として漠然と「法則」と呼ばれることがある。これには、哲学における原理としてのオッカムの剃刀や、経済学におけるパレートの法則などが含まれる。

自然界における根底にある規則性の観察と発見は先史時代にまで遡り、因果関係の認識は暗黙のうちに自然法則の存在を認めている。しかし、こうした規則性を独立した科学法則として認識することは、アニミズムとの絡み合いや、物理現象など、容易に原因が特定できない多くの現象を神々、精霊、超自然的存在などの作用に帰する考え方によって制限されていた。自然に関する観察と考察は、形而上学や道徳と密接に結びついていたのである。

ヨーロッパでは、自然（ピュシス）に関する体系的な理論化は、初期のギリシャの哲学者や科学者によって始まり、ヘレニズム時代やローマ帝国時代へと続き、その時代にはローマ法の知的影響力がますます支配的になった。

「自然法」という表現は、ラテン語の詩人ルクレティウス、ウェルギリウス、オウィディウス、マニリウスが好んだ「生きた比喩」として初めて登場し、やがてセネカやプリニウスの散文論文の中で確固たる理論的地位を獲得した。なぜローマ起源なのか？[歴史家で古典学者のダリン] ルホウの説得力のある物語によれば、^{[ 19 ]}この考えは、ローマ人の生活と文化における成文化された法律と法廷弁論の極めて重要な役割によって可能になった。 ローマ人にとって、倫理、法律、自然、宗教、政治が重なり合う最高の場所は法廷である。セネカの『自然問題』を読み、彼が証拠、証人評価、議論、証明の基準をどのように適用しているかを何度も見れば、法廷弁論の方法に完全に没頭した、その時代の偉大なローマの修辞学者の一人を読んでいることがわかる。そして、セネカだけではない。科学的判断の法的モデルは至る所に現れ、例えばプトレマイオスの検証アプローチにも同様に不可欠な要素であることが証明されている。そこでは、精神が裁判官の役割を担い、感覚が証拠の開示の役割を担い、弁証法的理性が法そのものの役割を担っている。^{[ 20 ]}

現在では現代的で有効な自然法則として認識されているものの正確な定式化は、ヨーロッパで精密な実験と高度な数学の発展が始まった17世紀に遡ります。この時期、アイザック・ニュートン（1642～1727）などの自然哲学者は、神が絶対的で普遍的かつ不変の物理法則を定めたとする中世の神法の概念に由来する宗教的見解の影響を受けていました。 ^{[ 21 ] [ 22 ]}ルネ・デカルト（1596～1650）は『世界』 第7章で、「自然」を神によって創造された不変の物質そのものと表現し、したがって部分の変化は「自然に帰せられるべきである。これらの変化が起こる規則を私は『自然法則』と呼ぶ」と述べています。^{[ 23 ]}この時期に形作られた 近代科学的方法（フランシス・ベーコン（1561-1626）とガリレオ（1564-1642）による）は、科学と神学を分離し、形而上学や倫理学に関する考察を最小限に抑える傾向に貢献した。（政治的な意味での自然法は、普遍的なもの（すなわち、宗派的な宗教や場所の偶然性から切り離されたもの）として捉えられ、この時期にはグロティウス（1583-1645）、スピノザ（1632-1677）、ホッブズ（1588-1679）などの学者によっても精緻化された。）

政治法的な意味での自然法と、科学的な意味での自然法則または物理法則との区別は近代的なものであり、どちらの概念もギリシャ語で自然を意味するphysis（ラテン語ではnaturaと訳される）に由来している。^{[ 24 ]}

• 物理学公式集は、さまざまな形式で提供されている、多くの物理法則や公式を収録した便利な書籍です。
• Eformulae.comは 、さまざまな分野のほとんどの公式を掲載しているウェブサイトで、 2011年2月23日にWayback Machineにアーカイブされました。
• スタンフォード哲学百科事典：「自然法則」ジョン・W・キャロル著
• Baaquie, Belal E. 「物理法則 ：入門」Wayback Machineに2006年4月8日にアーカイブ済み。シンガポール国立大学コアカリキュラム。
• フランシス、エリック・マックス。「法則一覧」。物理学。アルキオネ・システムズ
• パザメタ、ゾラン。「自然の法則」。 2014年2月26日にWayback Machineにアーカイブ済み。超常現象の主張に関する科学的調査委員会。
• インターネット哲学百科事典。「自然法則」 ―ノーマン・スワルツ著
• マーク・ブキャナン、フランク・クローズ、ナンシー・カートライト、メルヴィン・ブラッグ（司会）（2000年10月19日）。「自然の法則」。イン・アワー・タイム。BBCラジオ4。