⚛️Origins & Evolution

物理学者 · 黒板一枚から3000人の共著者を抱える加速器論文まで、物質・エネルギー・空間・時間を支配する数学的法則を導き検証する仕事。

物理学は、記録に残る歴史がこれほど古く遡り、しかも最古の成果がこれほど直接的に今も使われている点で、学問分野の中でも異色の存在だ。今日の工学生が学ぶアルキメデスの浮力の原理は、紀元前3世紀に彼が述べた形とほぼ変わらず、「物理学者」という言葉が使われるようになる二千年以上も前のものである。

その物語は、イスラム黄金時代が重んじた統制された実験、科学革命による数学と観測の結合、19世紀の電気・磁気・光の統一、そして相対性理論と量子力学の二度にわたってニュートンの機械仕掛けの宇宙を解体した20世紀を経て、物理学そのものが国家規模の共同事業へと変貌するまで続く。

Where it began

紀元前250年頃シチリア島シラクサ

アルキメデスは浮力の原理──浮かぶ、あるいは沈んだ物体はそれを押し上げる力に等しい重さの流体を押しのける──を解き明かし、てこと単純機械の数学を導いた。伝承によれば、ヒエロン2世の王冠が押しのけた水の量を測ることで、その金の純度を検証したという。物理的な物体について精密で検証可能な法則を数学によって導くという彼の手法は、後に物理学と呼ばれることになる学問の現存する最古の実例である。

Timeline

紀元前250年頃アルキメデスが浮力の原理を定式化

アルキメデスは物体が自らの体積分の流体を押しのけることを解き明かし、伝承によればヒエロン2世の王冠が純金かどうかを検証するためにこれを用い、シラクサでてこと単純機械の数学も導いた。

1021年イブン・アル=ハイサムが『光学の書』を完成

カイロで活動していたイブン・アル=ハイサムは全七巻の『キターブ・アル=マナージル』を完成させ、統制された実験を用いて、視覚が目から光線が出るのではなく光が目に入ることで働くことを示した。実験的手法の礎となる文献である。

1609年ガリレオが望遠鏡を空へ向ける

パドヴァでガリレオは自作の望遠鏡を用いて月の山々を観測し、数か月のうちに木星を周回する4つの衛星を発見した。天のすべてが地球を中心に回っているわけではないことを示す証拠であった。

1687年ニュートンが『プリンキピア』を出版

アイザック・ニュートンの『自然哲学の数学的諸原理』は運動の法則と万有引力を打ち立て、落下するリンゴと軌道を回る惑星の物理学を一つの数学的枠組みの下に統一した。

1831年ファラデーが電磁誘導を発見

マイケル・ファラデーは変化する磁場が電流を誘導することを示し、これはその後作られたあらゆる発電機・変圧器・モーターの原理となった。

1865年マクスウェルが電気・磁気・光を統一

ジェームズ・クラーク・マクスウェルは電気と磁気が一つの場の二つの顔であり、光そのものが予測可能な速度で伝わる電磁波であることを示す方程式を発表した。

1900年プランクが量子を導入

マックス・プランクは、熱い物体からの放射が観測と一致するのはエネルギーが離散的な塊、すなわち量子として放出される場合に限られることを示した。彼自身は数学的な便法として扱ったが、これは現実を記述するものであった。

1905年アインシュタインの奇跡の年

ベルンの特許局員として働いていたアルベルト・アインシュタインは、特殊相対性理論・光電効果・ブラウン運動に関する4本の論文を一年のうちに発表し、空間・時間・質量・光という物理学の基本概念を作り変えた。

1942年フェルミが最初の制御された連鎖反応を達成

エンリコ・フェルミのチームはシカゴ・パイル1号を稼働させ、人類初の自立的な核連鎖反応を、シカゴ大学のフットボール競技場の地下で実現した。物理学が少人数の学問から国家規模の「ビッグサイエンス」へと転じる瞬間であった。

2012年CERNでヒッグス粒子が発見される

ATLASとCMS、それぞれ約3000人からなる二つの国際共同研究チームが、大型ハドロン衝突型加速器でヒッグス粒子の発見を発表した。予測から約50年を経て、標準模型最後の未確認要素が確認された瞬間であった。

The eras

Depiction of Ibn al-Haytham, the medieval scholar who pioneered experimental optics
Adolph Boÿ, engraved by Jeremias Falck. Used as the frontispiece to Johannes Hevelius, Selenographia, 1647 · Public domain · Wikimedia Commons
紀元前250年頃 – 1543年

科学的方法以前の自然哲学

アルキメデスからイブン・アル=ハイサムに至るまで、物理世界を探究した人々は、神学・数学・医学と混じり合った幅広い自然哲学という伝統の一部として活動しており、独立した専門的アイデンティティを持たなかった。イブン・アル=ハイサムが『光学の書』(1021年)で強調した統制された再現可能な実験は、ヨーロッパの科学革命に数世紀先立って、後に科学的方法と呼ばれるものの最も明確な初期の表明とされることが多い。

Portrait of Galileo Galilei
Justus Sustermans · Public domain · Wikimedia Commons
1543–1687年

科学革命

コペルニクスの1543年の地動説モデル、ガリレオの望遠鏡による観測とその1633年の異端審問、そしてケプラーの惑星運動の法則が合わさって、古代と教会公認の物理学の権威を打ち破った。1687年のニュートンの『プリンキピア』は、運動法則と万有引力という数学的総合をもたらし、それまでの時代の証拠が指し示していたものを完成させた。

Portrait of James Clerk Maxwell
Unknown author Unknown author · Public domain · Wikimedia Commons
1687–1900年

古典物理学の成熟

ニュートン力学は熱力学、統計力学へと拡張され、ファラデーの実験とマクスウェルの方程式を通じて、光そのものが電磁波であると予測する完全な電磁気理論に発展した。「物理学者(physicist)」という言葉は1840年、イギリスの博学者ウィリアム・ヒューウェルによって初めて造語された。大学が旧来の「自然哲学」という枠組みを超えたこの分野のために専門の講座と学術誌を設け始めた時期である。

Group photograph of physicists at the 1927 Solvay Conference
Benjamin Couprie · Public domain · Wikimedia Commons
1900–1945年

量子と相対性理論の革命

プランクの量子仮説、アインシュタインの相対性理論、そしてボーア、ハイゼンベルク、シュレーディンガーが発展させた量子力学は、わずか30年の間にニュートンの決定論的宇宙を二度にわたって覆した。この論争は1927年のソルベー会議の写真に最も象徴的に写し取られている。この時代はやがて戦争へと動員される物理学で幕を閉じた。マンハッタン計画は理論核物理学を産業規模の兵器プログラムへと変えた。

Interior of a Large Hadron Collider tunnel at CERN
Arpad Horvath · CC BY-SA 2.5 · Wikimedia Commons
1945年–現在

ビッグサイエンスの時代

戦後の物理学は単独の研究室から国家財源による巨大施設へと移行した。1954年に欧州12か国によって設立されたCERNは現在、大型ハドロン衝突型加速器を運用しており、2012年のヒッグス粒子発見にはそれぞれ約3000人からなる共同研究が必要だった。宇宙望遠鏡や重力波検出器、数千人が名を連ねる論文により、個人の天才ではなく大規模チームによる共同作業がこの分野の主流の働き方になった。

What this job replaced

Neighbouring trades that no longer exist — absorbed, automated or regulated away.

自然哲学者

1840年代まで

「物理学者(physicist)」という言葉が1840年にウィリアム・ヒューウェルによって造語される前は、物理世界を研究する人々は自然哲学者と呼ばれ、この肩書は化学・生物学、そして後に物理学として分離することになる分野を一つの広い傘の下にまとめていた。19世紀を通じて大学が専門の物理学講座と学術誌を設けるにつれ、この古く広い肩書は使われなくなっていった。

人間計算手

1900年代–1950年代

電子計算機以前、ロスアラモスのマンハッタン計画を含む物理学の研究グループは、理論が必要とする反復的な数値計算を手作業や機械式計算機で確認するために、不釣り合いに女性が多い人員を大量に雇用していた。ENIAC(1945年)などの電子計算機とその後継機が1950年代を通じてその仕事を引き継ぎ、この職種は消滅した。

巡回電気実演家

1740年代–1850年代

物理学が大学に定着する前、興行師たちはヨーロッパやアメリカを巡って電気と磁気を公開の見世物として実演していた。ライデン瓶に電気を蓄え、観客から引っ張り出したボランティアを「感電」させるといった、娯楽と大衆科学教育を兼ねたものだった。この学問が研究室と講義課程へと専門化するにつれ、巡回実演家は姿を消していった。

Trades that vanished →

この歴史のほぼすべての飛躍は同じパターンをたどる。既存の理論では説明できない異常──純金でないかもしれない王冠、太陽の近くで曲がる星の光、分裂を止めない原子核──が新しい数学的枠組みを迫り、その枠組みは自然を相手に、生き残るか壊れるまで検証され続ける。

ニュートンがほぼ一人で研究していた時代から、約3000人の共著者を持つヒッグス粒子論文への変化は、この分野における近年最も重大な変化であり、本プロファイルが繰り返し立ち返る一つの問いを投げかける──誰一人としてもっともらしく単独でその発見を成し遂げたと主張できない時代に、個人の科学的功績とは一体何を意味するのか。

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