記事の内容
この記事では、物理学、宇宙物理学、素粒子に関する読み物を紹介します。
物理、宇宙論、とても面白いですよね。常識の深掘り、常識の破壊、いろんな刺激を受け取れます。
そもそも、力学や電磁気学、波、熱など、物理の基本原理はとても重要です。毎日の生活と繋がっています。こうした原理原則は、学ぶだけで深い感動が得られると思います。
私は、物理学や宇宙物理学の専門書はまだまだ全然読めていないです。とくに、宇宙論や素粒子論を数式で理解しよう、という余裕はまだまだありません笑
ですので、この記事では、一般向けの読み物をまとめます。それでは、目次をご覧ください。
このブログ全体のガイドライン
あらゆるテーマをゆるく楽しんでいます。
物理学一般 読み物
数学ガールの物理ノート ニュートン力学
力学の学び直し、入門に最適！！
数学ガールの物理ノート 波の重ね合わせ
圧倒的にわかりやすい。
面白くて眠れなくなる物理
物理学の原理と法則
□単純、簡明、統一、原理主義□
物理学者は、多様で複雑に見える自然だが、真理は意外に単純明快であり、論理を忠実にたどっていけば必ず真理に到達できると信じている。アインシュタインが述べたように、「神は老獪だが、意地悪ではない」のである。そのための自然を解剖していく手法は、本書に書いたような原理・法則・原則に則っている。どのような建築物もレンガ一つひとつの積み重ねから成り立っているように、壮大な物理学の成果も、最も基本的な原理の上に構築されているのである。―本書より
原理、法則、定理の違い。以下のような分類があるようだが、厳密には重なることも多いそう。
- 原理 実験で確かめられる事実。理由を直接は証明できない。
- 法則 原理から導かれる普遍性を数式で表現したもの。直接は証明できない。よって、原理と同一視するケースも多い。
- 則・律 法則を数式で表現する「則」、原理を表現する「律」。
- 定理 法則から導かれるもの。
また、物理学ではそもそも、「自然の一様性」の原理を採用している。これは、自然には規則がありそれを人間は解明できるという信仰である。
物理学と神
Amazon.co.jp: 物理学と神 (講談社学術文庫) eBook : 池内了: Kindleストア
かつて神の存在証明を果たそうとした自然科学は、その発展とともに神の不在を導き出した……というのは、本当だろうか？ 現代物理学の描く世界からは、宇宙に最初の一撃を与え、サイコロ遊びに興じる至高の存在はいまだ消え去っていないのではないか？ 古代ギリシアから近代科学の黎明、そして量子力学まで、「神という難問」に対峙し翻弄される科学の歴史を、名手が軽妙かつ深く語り切る。唯一無二のサイエンス・ヒストリー！
物理数学の直観的方法 〈普及版〉
ベクトル解析、フーリエ変換、複素積分など、理工系学生の前に立ちはだかる数学の「10の難所」をカバー。試験前に途方にくれる幾多の学生を救い、「難解な数学的手法の意味が、目からウロコが落ちるように理解できた」「はじめて腑に落ちた」と絶大な支持を得た不朽の名著の新書版!
物理の数学をイメージしよう。わかりやすい。
目に見える世界は幻想か？
現代の物理学は、人間の思考を根底から支配している常識を捨て去ることで進展してきた。人間の見た目通りの世界は、本当の世界の姿なのか。人間の存在は、その物理的世界の中でどのような位置を占めているのか。近代物理学の誕生の経緯、そして物理学に大きな革命をもたらした量子論と相対論の成り立ちを概観。物理学とは、常識に対する挑戦である――。日々の生活のヒントにもなる、数式・図表を用いない物理学の入門書。
マックスウェルの悪魔
マックスウェルの悪魔なら火にかけたヤカンの水を凍らせる。タイムマシンを実現させて過去をよみがえらせ、永久機関を動かして、世間をアッといわせてみせる。人類が滅び、宇宙に終焉が訪れるとすれば、マックスウェルの悪魔こそ、救世主か?
確率から物理学へ。
熱とはなんだろう
エントロピーはなぜ増え続けるのだろうか? 熱の正体は? エントロピーの正体は? マクスウェルの悪魔はまだ生息しているのか? ブラックホールのエントロピーって? 物理ファン待望の「熱」の決定判。
スケールが大きい！！
エントロピー増大則の普遍性を基礎からじっくりと。
ブラックホールまで話が進むところが、この法則のすごいところ。
核兵器のしくみ
原爆から原発までゼロからわかる決定版！ 原爆、水爆、中性子爆弾……人類を消滅し尽くす超巨大エネルギーはどのように生れるのか？ 核分裂・核融合の原理から放射能の怖さまで、現代人が知っておくべき核の知識を初歩から徹底解説！
物理がわかる実例計算101選
具体例のおかげでイメージできるよ。
心は量子で語れるか
議論の過程が面白い。
まだまだ仮設だからこそ、いろんな思考、アイデアが楽しい。
時間はどこから来て、なぜ流れるのか？
「時間が経つ」あるいは「時が流れる」とは、どういうことだろうか？
目の前に置かれた時計を見つめている自分を想像していただきたい。時計の針が、3時ちょうどを指しているのを見たとしよう。そのままじっと時計を見つめていると、秒針がゆっくりと一周し、長針がわずかに進んで、3時1分を指すのが見える。さらに見つめ続けると、やがて針は3時2分を、続いて3時3分を指す。
時計を見ている人にとって、針がある時刻を指すのを目にする場合、その時刻だけがリアルな瞬間だと感じられる。針が3時2分を指しているならば、3時1分を指す光景は過去の記憶であり、3時3分を指すことは未来の予測である。どちらも、3時2分を示す時計を目の当たりにしている「いま」のようなリアリティは感じられない。時計を見つめ続けると、時計の針は、しだいに、その後の時刻へと動いていく。この状況を素朴に解釈すると、眼前の時計が示す「いま」の時刻が、後へ後へと移動していくことを表すようにも思われる。
さて、ここで考えていただきたい。こうした「時の流れ」は、意識の外にある物理世界においても、客観的な出来事として起きているのだろうか？ 言い換えれば、「時の流れ」は物理現象なのか――という問題である。
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【主な内容】
■はじめに――時の流れとは
《第I部 現在のない世界》
■第1章 時間はどこにあるのか
■第2章 過去・現在・未来の区分は確実か
■第3章 ウラシマ効果とは何か
《第II部 時間の謎を解明する》
■第4章 時間はなぜ向きを持つか
■第5章 「未来」は決定されているのか
■第6章 タイムパラドクスは起きるか
■第7章 時間はなぜ流れる（ように感じられる）のか
相対性理論を楽しむ本
相対性理論の面白さ。常識を変えてしまう発想がすごい。
光速度不変なのだから、時空は相対的。どこにいる誰にとっても出来事は同時に起こるという常識は間違いだった。
高次元空間を見る方法
光と電磁気 ファラデーとマクスウェルが考えたこと
存在しないエーテルを元にして作った電磁気学の理論が、エーテルが存在しないことがわかった後にも有効である。科学の歴史の面白いところ。
エネルギーをめぐる旅
資本主義、食料、気候変動…
「エネルギー」がわかるとこれからの世界が見えてくる！
火の利用から気候変動対策まで。エネルギーと人類の歴史をたどり、現代社会が陥った問題の本質と未来への道筋を描き出す。驚嘆必至の教養書。・ヒトの脳が大きくなったのは火のおかげ
・文明の技術的発展を支えたのは森林だった
・リサイクルをしていた古代キプロスの人々
・省エネ技術はエネルギー消費を増やす？
・化石燃料資源の枯渇はいつ頃起きるのか
・110億人のための新しい豊かさの定義を探す
・自然界から「ほどほど」のテンポを学ぶ
……驚きのエピソード満載、エネルギーから読み解く文明論。
宇宙論 読み物
大栗先生の超弦理論理論入門
超弦理論のイメージを楽しみたい！！
力の強さを表す結合定数を大きくしていくと、もう一つの次元が開く。その一つ高い次元から見ると、複雑な超ひも理論がシンプルな超重力理論になってしまう。この10次元の重力理論では弦だけでなく、膜も基本単位になる。空間は幻想だ。
強い力と弱い力
重力とは何か
- 第１章 重力の七不思議
- 重力は力である
- 重力は弱い
- 重力は離れていても働く
- 重力は全てのものに等しく働く
- 重力は幻想である
- 重力はちょうどいい
- 重力の理論は完成していない
- 第２章 伸び縮みする時間と空間―特殊相対論の世界
- 第３章 重力はなぜ生じるのか―一般相対論の世界
- アインシュタインの人生最高のひらめき「落ちていくときには、自分の重さを感じない」
- 加速運動で生じる見かけの力そのものが重力と同じものである。重力は加速度があると言うことと同じ。「等価原理」。
- 一様でない重力の効果（潮汐力）は、どの観測者から見ても消すことができない。
- 重力の正体は時空の歪み。物体があると時間や空間が変化し、その変化が物体の運動に影響を与える。
- アインシュタインの人生最高のひらめき「落ちていくときには、自分の重さを感じない」
- 第４章 ブラックホールと宇宙の始まり―アインシュタイン理論の限界
- 越えたら二度と戻ってこられない「事象の地平線」
- アインシュタイン理論が破綻する「特異点」
- 第５章 猫は生きているのか死んでいるのか―量子力学の世界
- 量子論と相対論を融合すると反粒子の存在が導かれる。
- 過去に向かう粒子は反粒子
- 経路和には、超光速粒子が現れる
- 超光速粒子は、過去に向かう粒子になれる
- 未来から過去に向かう電子は、過去から未来に向かう陽電子と同じ。
- 何もない真空から対生成によって粒子がボコボコと出てきてしまうために「粒子の数を決めておけない」。
- 量子論と相対論を融合すると反粒子の存在が導かれる。
- 第６章 宇宙玉ねぎの芯に迫る―超弦理論の登場
- 第７章 ブラックホールに投げ込まれた本の運命―重力のホログラフィー原理
- 第８章 この世界の最も奥深い真実―超弦理論の可能性
ご本人による講義動画も必見！！
文系のための東大の先生が教える重力
一部のメモです。
すべての物体は引き合っている！
- 重い球と軽い球，どちらが先に落下する？
- 球の落下速度はどんどん大きくなる
- すべての物体は「万有引力」で引き合っている
- 万有引力により、宇宙なら、1メートル離した1kgの物体同士は、役26.7時間後に衝突する。
- 万有引力は，とても遠くまではたらく。
- なぜなら、他の力と違い、重力には「打ち消す力」がないから。
- 重力と万有引力は同じもの？
- 地球上の重力は、万有引力と遠心力を合わせた力。
- 遠心力の強さ、地球の形（中心からの距離）により、地球上の重力の大きさは場所によってちがう。さらに、地下構造の比重などによっても重力は変わる。「重力異常」と言う。
- そもそも「力」って何？
- 物体の速度を変化させるもの
- 「質量」って何？
- 重さ 重力の大きさのこと
- 質量 動かしにくさのこと 無重力下でも変わらない。
- 地球上の物体は，同じ速度で落下する
- 月はなぜ地球に落ちてこない？
- 宇宙ステーションはなぜ無重力状態なのか？
謎に包まれた 「ミクロな世界の重力」
相対性理論では説明できない「ミクロな世界の重力」
ミクロな世界ではすべてがあやふや
宇宙はごくごく小さな「特異点」から生まれた？
ブラックホールに落ちるとどうなる？
「特異点」の中はどうなっているのか
謎の重力源と謎のエネルギー
宇宙には見えない重力源がたくさんある
謎に包まれる「ダークマター」
宇宙を膨張させる正体不明のエネルギー
ダークエネルギーの存在を予言したアインシュタイン
ダークエネルギーの正体は真空のエネルギー？
ダークマター解明の道筋「すばる望遠鏡」
重力はなぜ弱いのか
この世界はとっても小さな素粒子でできている
自然界を支配する「四つの力」
力の正体は，素粒子のキャッチボール ex 電子は光子を吸ったり吐いたりしている。これが電磁気力の正体。
四つの力の統一は物理学者の夢
重力は，なぜか桁ちがいに弱い 重力は別の次元に漏れ出しているから弱い？
この世界は3次元空間ではないのかも
重力の伝わり方から，次元の数がわかる
素粒子の正体は「ひも」だった!?
・素粒子が点だと仮定すると、ミクロな世界の重力は無限大が出てきて扱えない。
超ひも理論は9次元空間を予言する
重力の正体は「閉じたひも」なのかもしれない
・私たちの宇宙が３次元ブレーンならば、「閉じたひも」はブレーンにくっつかずに外の高次元へと自由に行き来できる。
・他の素粒子は、「閉じたひも」で表現できる。
超ひも理論の 「超」は， 「超対称性粒子」に由来
・既知の素粒子たちにはそのパートナーがいる、と考えた「超ひも理論」がすべての素粒子を説明することに成功。
・ただし、そのパートナーたちはそれも未発見。ダークマターの候補になっている。
LHCなら，超対称性粒子をつくれるかも
高次元空間があれば，ミニブラックホールができるかも
・ブラックホールができれば、高次元空間の証明にもなる。高次元空間が機能するからこそ、重力が加算されて、強い圧力を生むことができる。
・ブラックホール消滅時には素粒子を放出する。これらを検出できればブラックホール生成の証拠になる。
僕たちは、宇宙のことぜんぜんわからない この世で一番おもしろい宇宙入門
とてもおすすめ。
考え方の本質を抑えつつ、疑問をうまくまとめてくれる。
宇宙まだまだわかっていない、としみじみ実感させてくれる。
2質量はあるが普通の物質と干渉しないダークマター
11地球にこんな大きなエネルギーをもつ超高速粒子を撃ち込んでくるのはだれ？
12どうして僕らは反物質じゃなく物質でできているの？
14何がインフレーションを起こしたのか？インフレーションを起こしたこの量子的な塊はどこから生まれたのか？
15宇宙の大きさは？なぜ空っぽなの？観測可能な宇宙が実際の宇宙全体に追いつくことは絶対にないかもしれない。宇宙は有限か無限か？
時空のゆがみを解きほぐす数学
数学は重力理論にどのように貢献してきたか？
宇宙論についての数学的研究の流れを紹介してくれる。可能な限りわかりやすく、理論を数式抜きで紹介してくれる。テーマは、時空の数学、と言えるだろう。
専門書の補助として、または、お手軽な入門書の一歩先に進みたい人におすすめ。
リーマン曲率テンソルの最も重要な――そして最も独創的な――特徴は、座標系の移動によってその成分が変化してもテンソルがお行儀よく線型に変換されることだ。すなわち、必要な情報を抽出することができるのだ。
一般的というのは、記述される重力の法則が、座標の選択や加速している基準系内で観測される事象であるかどうかに関係なく、すべての観測者にとって同一であることを意味する。その挑戦は手ごわいものであり、彼は座標を使わずに物理法則を表現する試みを「ことばを使わずに思考を説明することに等しい」と評した(9)。
一般相対性理論におけるテンソルの要素は、ある多様体上の二点間の距離と、特定の点におけるその多様体の曲率、あるいは時空のある位置におけるエネルギー密度や質量密度に関する情報をコード化している。方程式から示されたのは時空の曲率――または幾何学的な形状――がエネルギーや質量の分布と密接に結びついていることだ。
時空の曲率つまり重力は質量とエネルギーの分布によって大きく左右されるということを実証するものであり、その逆もまた真である。方程式の左辺は時空の曲率を、右辺は質量とエネルギーをあらわす。別のことばで表現すると、アインシュタインの方程式は、私たちがこれまで重力とよんできたものが、あろうことか、力ではないということを教えてくれる。それはたんに時空の曲率の結果なのだ。そしてその曲率は、物質とエネルギーの初期状態――いわば「時間ゼロ」ともいえる――における分布や、時間のなかでものごとがどのように変化し動いているか、つまり物質とエネルギーの運動量、さらには宇宙の全体的形状＝トポロジーによって、かなりの程度まで決定される。いいかえれば、時空の曲率の決定には多くの要素が関わっているのだ。
さらに相対性理論では、空間だけでなく時間も座標系によって値が変わる相対的なものなので、時間と空間を合わせた《時空》、すなわち《四次元ローレンツ多様体》（擬リーマン多様体）において時空の歪みを表現する必要がある。アインシュタインは、リッチやレヴィ＝チヴィタらによって二〇世紀初頭に考案されていた曲がった時空でのテンソルの微分（共変微分）法に着目し、時空の歪みを数学的に定量化できることに一九一〇年前後に気づいた。
重力波などの観測データと理論による予測を比較するさいに、ブラックホールのような天体の質量やスピンを正確に定義することが必要となり、ヤウ教授らは準局所質量や準局所角運動量という概念を新たに導入し、将来の精密な重力波観測のうえで考慮すべき点について、数学的な観点からこの分野に貢献している。重力理論が本質的に幾何学の理論である以上、数学的に厳密な物理量の定式化は、物理学者がつねに耳を傾けるべきことであろう。
現在までに弦理論の兆候を示すような観測・実験事実は残念ながらなにも見つかっていない。これは、プランク長に近い超ミクロもしくは超高エネルギーの物理現象を実験的に確かめる術が現状ではないことにも起因している。さらに弦理論は、量子論と重力理論の統一にもまだ至っていない。しかし、弦の運動に関する物理的な整合性とカラビ＝ヤウ多様体という純粋数学にもとづく時空の幾何学が織りなす壮麗な構造は、弦理論そのものが自然界の力の統一をなしえなかったとしても、統一理論のさらなる追求のうえでの重要な礎となると期待される。
Kindle読み放題の対象です！！
宇宙に外側はあるか
何がこの宇宙を始めたのか
インフレーションは本当に起きたのか
時間と空間の本質とは何か
宇宙にはなぜ構造があるのか
宇宙全体に量子論の原理を適用できるのか
ダークマターの正体は何か
ダークエネルギーの正体は何か
人間原理に意味はあるのか
この宇宙の他にも宇宙が存在するのか
人間は真の宇宙の姿を理解できるのか
THE UNIVERSE IN A BOX 箱の中の宇宙――あたらしい宇宙１３８億年の歴史
すごい宇宙講義
ニュートリノ もっとも身近で、もっとも謎の物質
もっとも小さな物質「素粒子」――そのなかでも、もっとも捕えにくいのがニュートリノだ。地球上の人間は皆、１秒間に６００兆個のニュートリノを浴びているが、ほとんどが幽霊のように通り抜けてしまうため、その実感はまったくない。この謎に満ちたニュートリノの正体にいま、人類が築き上げた科学と日本の圧倒的なテクノロジーが融合した「すごい実験」が迫りつつある。未来の物理学を書き換え得る熱い知の現場から、その面白さをわかりやすく解説。
物理の４大定数
光速c、重力定数G、電子の電荷の大きさe、プランク定数h。これらの基礎物理定数は日常から宇宙までを支配する法則が数値となったものだ。我々はふだん物理定数など意識せずに暮らしているが、この値が違えば太陽はブラック・ホールと化し、人類は地球にいられず火星に住むハメになり、宇宙の姿は激変する。本書では人類がいかにして4大物理定数を発見したか、そのことでどんな宇宙の謎が解け、またどんな謎が新たに出現したかを解説。相対性理論、宇宙の構造、素粒子や量子力学までわかる画期的な書!
時間の終わりまで ブライアン・グリーン
第1章 永遠の魅惑 始まり、終わり、そしてその先にあるもの
第2章 時間を語る言葉 過去、未来、そして変化
第3章 宇宙の始まりとエントロピー 宇宙創造から構造形成へ
第4章 情報と生命力 構造から生命へ
第5章 粒子と意識 生命から心へ
第6章 言語と物語 心から想像力へ
第7章 脳と信念 想像力から聖なるものへ
第8章 本能と創造性 聖なるものから崇高なるものへ
第9章 生命と心の終焉 宇宙の時間スケール
第10章 時間の黄昏 量子、確率、永遠
第11章 存在の尊さ 心、物質、意味
圧巻の物語。
数学的な宇宙
こちらでまとめています。
物質は何からできているのか
素粒子にまつわる基本的な知識を理解するために、物質は本当は何からできているのか？ 物質はビッグバンのものすごい熱さの中でどうやって消滅を免れたのか？ そして、宇宙の最初の瞬間を理解することは可能だろうか？ などなどの疑問について、TEDトーク（Have We Reached the End of Physics?）で270万回視聴された著者（CERNのLHCで研究に携わる）がユーモアを交え、数式を使わずテンポよく語る。
話題を集めた超弦理論の問題点とは？ 自然の基本法則を完全に理解できるのか？ スファレロンとは何か？ ヒッグス粒子どうやって見つかったか？ ヒッグス場とは何か？ 反物質はどうやって作るのか？ 超対称性とは何か？ などこの分野の最新の成果を盛り込みつつ、素粒子物理学というとっつきにくい内容を、身近な物質とその成分の発見の歴史をとおして、肉眼世界からミクロの世界へと、最新の研究成果をわかりやすく語っていく。ちなみに素粒子物理学は宇宙の基本的物質の探求（ニュートリノの反粒子の研究など、ノーベル賞の小柴さんや梶田さんが関連する研究）や、その終焉にかかわるダークマターやダークエネルギーなどの最新の宇宙研究にもつながっていることがわかる。
宇宙検閲官仮説
すべての物理法則が破綻する「特異点」は、ふつうの宇宙であれば必ず発生する。物理学者にとってショッキングな
この事実を証明したのが、ロジャー・ペンローズの「特異点定理」だった。
しかし彼は、一方ではこんな「仮説」も提唱したーー本当に厄介な「裸の特異点」は、宇宙検閲官がブラックホール
で覆い隠してくれている、だからきっと大丈夫だ！
はたしてこの仮説は、定理となりうるのか、それとも願望にすぎないのか？ 物理学の存亡をかけた検証が始まった！
2020年ノーベル物理学賞の対象となった「特異点定理」を一般書で初めて解説し、一般相対性理論はみずから破綻する「宿命」であることを示しながら、宇宙検閲官仮説が本当に成立するか否かをスリリングに検証！ そこからは、宇宙創成の謎解きにつながる数々の最先端の理論も「副産物」として生まれてくる！ 映画『インターステラー』に描かれたブラックホールと特異点のリアルな姿がここにあります。
（本書の内容）
第１章 一般相対性理論とは
第２章 アインシュタイン方程式の解
第３章 特異点定理
第４章 宇宙検閲官仮説
第５章 特異点定理と宇宙検閲官仮説の副産物
ハッブル宇宙望遠鏡がとらえた驚異の大宇宙
パート1 星の世界 〜 星の誕生／惑星状星雲／超新星残骸／球状星団
パート2 銀河の世界 〜 銀河／銀河の相互作用
パート3 銀河団・深宇宙 〜 銀河団／重力レンズ／ダークマター／深宇宙
パート4 太陽系の世界 〜 火星から海王星、冥王星まで
パート5 ハッブル宇宙望遠鏡 〜 ハッブル宇宙望遠鏡の打ち上げ、保守ミッションについて
佐藤勝彦の眠れなくなる宇宙入門
一般相対性理論を一歩一歩数式で理解する
ちゃんと数式で味わいたい人へ。
その他 参考資料、動画など
結論
地球に残る者の方が歳をとっている。
①
慣性系を乗り換えるときに、地球の時間がジャンプする。
※特殊相対性理論は加速度を扱える。ただし、重力は扱えない。
兄、弟を同時に観測している者（二人の時空図を書けるもの）は一体何か？
現実に存在しうるのか？
②
画像送信による説明
③
兄から見た時空図を書けば対象ではないことがわかる。
量子力学について
このテーマについては数式レベルで理解したく、専門書まで読んでいます。
気になる方はこちらへどうぞ。
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