物理学（読み）ブツリガク（英語表記）physics 英語

物理学の対象

物理学の対象は自然現象であるが、これでは広すぎて他の自然諸科学との区別がつかない。しかし、これをどの範囲と限定することも困難である。なぜなら、物理学も自然科学の他の諸分科と同じく、これまでの進歩を踏まえつつ、その考え方も対象も絶えず広げながら変化しているからである。かつて「物理学は物体の運動について研究し、化学は物質の変化について研究する」、というようなことがいわれた。このようにいうときの物体とは一定の形や大きさをもった限定的なものであるのに対し、化学の対象としての「物質」は、均一で特定の形や大きさをもたないが一定の性質を担うものとして、たとえば空気とか水とか銅とかいうものを意味している。しかし、物質ということばはもっと広い意味をもっている。自然的物質としてわれわれは、空気や水や銅のようなものばかりではなく、星や太陽のような天体すなわち宇宙における「物体」をも含めて考えている。また、近代科学の明らかにしたところによれば、化学者のいう「物質」も分子・原子と名づけられている微小な「物体」の集団としてあるのだとされている。

　現代の立場でいえば、物理学の対象は「自然現象を引き起こすもととなっている物質とその運動」、というべきであろう。さらにいえば、物理学の特徴は、それらの自然現象の奥に潜む普遍的な法則をできるだけ統一的に求めようとするところにある。イタリアのガリレイに始まりイギリスのニュートンにより事実上完成した古典力学では、対象は地球上の「物体」だけでなく、月や惑星などの天体をも含んでいる。ただ、このときの「物体」は、その内部の構造などは無視して、「質量」というような属性を抽出している。また、「運動」というときには「位置」とその変化とに着目している。しかし、その後の物理学の発展では、星をも含めて、それをつくっているもの、すなわち「物質」を対象とするようになっている。また、「運動」という場合、狭義の物体の運動だけを意味するのではなく、光の伝播(でんぱ)とか液体から気体への変化とかいうように、着目する属性の変化を対象として含んでいる。さらにまた物理学は、物質の構造と運動だけでなく、その運動を規定する枠組みである「時間・空間」の構造をもその研究対象としている（一般相対性理論）。

　しかし、このような規定ではまだ物理学と他の自然諸科学との区別は明らかではない。たとえば化学に関して、現代の物理学者の一部には、いまや化学は物理学に包含されてしまったなどという見解がある。確かに、現代では物理学と化学との研究対象領域は互いに浸透しあっている。しかし、このようなことはすべての個別科学の境界についてもいえることであり、これをもって物理学と化学の区別がなくなったと考えるのは正しくない。

［宮原将平・高木修二］

物理学と化学の境界

物理学の対象の特徴を化学のそれと対比的にあげるならば、それは次のようなものであるといえる。まず、物理学は自然のあらゆる対象物の基本的構造と一般的運動を認識しようとする。もちろん物理学においても、特殊的対象に固有な運動法則や構造をも研究するが、それはより普遍的な法則を探りあるいは検証するためであったり、より基本的と考えられる構造の発現をみるためなど、つねに一般的なものとの関連で探究される。このようにして物理学の対象は、大は宇宙や銀河系の問題から、小は原子や素粒子の問題に至るまでが含まれる。化学はこれに反して、原子が構成する分子（それはまた化学的物質種の基本単位とも考えられるが）および分子の結合体についての構造と変化を研究対象としている。化学のこの研究対象は一見、物理学の対象の一部にすぎないようにみえるが、実はそうではない。数十ないし100余種の原子の組合せでつくられる化合物分子はその種類が膨大であるということだけをここでいっているのではない。それらのなかには、化学の固有の概念、たとえば原子価、結合、基、酸化・還元などが存在する。物質的対応をもつこれらの概念を、物理学的に、すなわち基本的な物質の一般的な運動法則によって基礎づけることは可能であろう。しかし、そのことによって化学に固有なこれら質的概念が物理学的運動法則に解消されてしまうものではない。それは、たとえば、生物を形成している物質が化学的に分析され、生命現象のあるものが物理学や化学によって基礎づけられたといっても、生命が無機的な物質に帰着されたのではない、というのと同様である。

　自然的物質のなかで、「生物」は特別なものであり、物理学の研究対象からはいちおう除外される。もちろん、生物学と物理学の研究領域も浸透しあってきている。しかし、生体物質を物理学の研究対象として取り入れつつあるとはいっても、物理学と生物学との距離は、物理学と化学とのそれよりはるかに大きい。生物の個体の発生・成長、あるいは増殖や進化は生物固有の概念であり、それらを基本的な物質とその一般的な運動法則という物理学の概念から理解するのは、いまだはるかに遠いところにあるというべきであろう。

［宮原将平・高木修二］

物理学の方法

物理学は、他の自然科学の諸分科と同じように、実験的ならびに理論的な方法によって研究される。「実験」を広義に解すれば、観察、観測などもそのなかに含まれる。しかし、物理学においては、狭義の「実験」すなわち環境条件を整え、諸パラメーターの値を制御し、一つの物理量を精密に測定し、あるいは2量間の数量的な関数関係をみいだすという、いわゆる精密実験を重視する。このことは、物理学が運動の量的側面を重視して研究が行われることと深くかかわっている。しかし同時に、実験のもつ質的発見の意義も大きい。X線の発見、放射能の発見、超伝導の発見などがその好例である。

　物理学の理論的方法の特徴は、実験の量的な精密さに応じて数学を広く深く応用するところにみられる。数学の多方面の分科が物理学の理論的研究のための手段として使われている。しかし、理論的方法は数学の応用だけに限られているものではない。類推、理想化、模型の設定なども理論においてきわめて重要な役割をする。このことは、たとえば、原子模型の形成なくして原子理論が成立しえたかどうかを考えてみればわかることであろう。

　また、理論的方法は単に実験結果の解釈のために用いられるだけではない。いろいろな法則の統一的理解という物理学の基本的課題を追究するために、それらの法則をどのような概念の枠組みでとらえるかという、理論的課題の設定が重要な意味をもっている。アインシュタインの相対性理論が、マイケルソン‐モーリーの実験の解釈としてでなく、力学と電磁気学の統一という理論的課題の解決として生み出されたことを忘れてはならない。

　実験的方法と理論的方法とは、単純に直列的あるいは並列的にあるのではなく、複雑に絡み合い、ときには助け合い、ときには互いに矛盾することもありながら、全体として物理学的自然認識を深める役割をしている。ある実験は理論の検証に役だつこともあるが、またある実験的発見はそれまでの理論と矛盾し、そのために理論を発展させ、さらに包括的な新しい理論をつくりだすために役だつことも少なくない。

　実験的方法に加えて考えておかなければならないのは、実験装置、手段の開発である。これは、それ自身自然を知るための研究ではない。しかし、それは実験的研究にとって不可欠のものである。同様に理論的方法における数学的手段そのものの研究も一定の役割をもっている。

　これらの方法を考える場合にもっとも基本的なことは、いうまでもなく、方法は対象によって規定されているということである。それゆえ、物理学の方法にとってもっとも本質的なものは、個々の実験的あるいは理論的な方法、手段でなく、正しい自然観をまず確立することであるというべきであろう。

［宮原将平・高木修二］

物理学の諸分科

物理学と他の個別科学、境界領域

物理学が他の個別科学と浸透しあっていることは、化学との関係ですでにみたところであるが、境界領域の発展が現代の自然科学の発達の一つの特徴とみられるだけに、とくにこの点について述べよう。

［宮原将平・高木修二］

物理学史とは

物理学という個別科学分野の展開の過程を扱う。そこには、物理学の内容にかかわる側面と、歴史的側面とがある。すべての科学がそうであるように、物理学もまた人間の社会的実践の一環として形成されるものであるから、論理体系の内面的な発展のみでなく、その展開の契機を与える社会的状況、すなわち思想や技術的水準、生産構造、さらには社会体制といったものも必要に応じ考察の視野に入れられなければならない。物理学のよってたつ思想的基盤、技術的基盤が、歴史の面からの射影として、物理学史を形づくってくるのである。

　物理学が個別科学としてやや特殊な性格をもっていることも物理学史の性格を特徴づける。自然科学の多くの分野は、普通、特定の対象、たとえば動物とか天体などを取り上げ、その形態、存在の様式、運動形態を追求解析する。これに対し物理学はかならずしもそのような固有の対象をもってはいない。古代ギリシアの自然学に発し、ニュートンの自然哲学の系譜をたどった物理学は、その形式の発端から自然そのものの論理を問い、対象を超えた普遍的なものとしての物質像を追求してきた。そのため対象はかならずしも特定されず、しばしば広範にわたり、化学的な領域や宇宙、あるいは生命なども物理学の考究の対象として組み込まれてくる。このような性格は物理学史を多岐なものにしている。

　物理学と技術との関連もきわめて密接なものである。これは今日までの産業の構造の発達形態のゆえもあるが、よかれあしかれ産業革命以降、工業技術を中心として現代までの産業社会が動いてきたことは、工業技術の基礎としての物理学を、技術ときわめて密着させたものにしてきた。一方では実験科学としての物理学の研究の手法が、実験手段という面で技術水準と密着している面もあり、物理学の展開と技術の発達とはいわば表裏一体の感がある。

　技術はもとより社会性をもつ。産業であれ、軍事であれ、あるいは政治であれ、それらはしばしば技術によって動かされ、その根底は物理学と直結することも多い。その反作用として物理学はしばしば社会のなかでの去就を問われ、その位置づけと機能が論議されてきた。それは物理学史の、物理学の社会史としての側面を形づくる。

　自然の普遍的論理の追求という物理学の性格は、当然ながら自然観を通じて思想とはきわめて密着した面をもっている。地動説や相対論などの例をあげるまでもなく、それは思想や哲学に直接影響を与え、また同時にその時代の思想をも反映する。

　物理学史の構造は、このように自然観と論理性という思想的面、実験による実証と、その成果の応用という技術との関連、およびこれらを仲立ちとしての社会史的面などから考察されなければならない。その視点によって、物理学の論理の発展をたどる内的歴史、社会史的な位置づけを試みる外的歴史の名が用いられることもある。

　以下では主として内面史に力点を置いて概括を試みる。

［藤村　淳］

ギリシア自然学――自然観と論証の導入

実験的手法が系統的に探究の方法に組み入れられるまでは科学以前とみる向きもあるが、ギリシア自然学は物理学にとって欠くことのできない一つの段階ではあった。

　実際、事物の存在の論理を追求するという物理学の性格は、まずギリシア人たちが「自然とは何か」と、その本質（アルケー）を尋ねたときに定められたのである。合理的・論理的に自然の解釈を求めようとするこの探求は、物理学の思想的側面の始まりであった。初期にはそれはむしろ自然観、世界観、あるいは哲学思想として開始される。ミレトス学派の万物の根源を一元的にみようとする思想、ピタゴラス派の数理的自然観は、やがてソフィストたち、あるいはプラトンの哲学を経て、抽象化とそれによる厳密な論証の追求という性格を備え、やがてアリストテレスの自然学に到達する。それは形相と質料――いわば本質とその現象形態との意識的区別――を獲得し、またこれを基礎とする物質の要素的把握（すなわち元素論）の成立をみる。これは物質の機能的要素性ではあったが、多元論的（四元素）思考によって数多くの物質の相互連関を統一的に理解しようとする普遍性をもった自然観であった。一方、物質の存在論としての要素性への追求もデモクリトスの原子によって行われ、「ケノン」（空虚）によって空間概念が導入される。これは、物質と物質とは独立な空間とを分離するとともに、世界の連続性、不連続性の問題を提起する。そして自然の要素性も、原子に求められる存在と元素概念に希求される機能という二つの側面から探究されることとなった。

　しかしながら、ギリシア自然学は経験事実への立脚という面では未熟である。意識的に観察を強調したアリストテレスにおいても、なお事実は副次的であり観念と論理性とが先行した。事実、不十分な観察を出発点にしつつ論証を進め、それを優先させたところに、たとえば真空の否定など、しばしば彼の自然学の破綻(はたん)が現れる。ギリシア自然学は自然の理性的解釈とその論理性を確立はしたが、まさにその点で限界を露呈したのであった。

　しかしアレクサンドリア期に入ると応用面への視点が開かれる。地球の大きさの測定、太陽と月への距離の比較などは論証の定量的な形での現実的な世界への実践的適用であった。とはいえ、それは多分に幾何学的レベルにとどまるものであったことは、注意しなければならない。抽象的な論理が幾何学においてまず確立されたことの反映ではあるが、物質の論理はいまだ登場しない。実験的ともいえる手法を用いたアルキメデスにおいても、実験による法則性の追求は、証明すべき命題に到達するための、いわば補助的手段であった。命題そのものはやはり幾何学的に証明されて初めて法則としての位置をかちうるものだったのである。経験あるいはそれを整理したものは法則ではなく、したがって「経験法則」なる概念はなお成立しえないものであった。

［藤村　淳］

ルネサンスと実験科学の成立

ニュートン力学の形成――普遍的論理と決定論

コペルニクス、ガリレイ、ケプラーをそれぞれピークとしてほぼ達成された天体運動の解析と、地上の物体の運動を解明したガリレイの動力学の後を受けて、両者を結合し自然界を統一的に把握する力学的世界をつくりだしたのはニュートンである。万有引力による天上界と地上界の一体化であった。デカルトの慣性法則を力学の基礎に位置づけ、運動の原因としての力の概念を確立し、さらにホイヘンスの業績にかかわる作用と反作用の法則を置いて、ここに力学は論理体系として完成化される。質量概念、力の概念の不明確さや遠隔力としての万有引力の形而上(けいじじょう)学的性格は残っても、その緻密(ちみつ)な論理構成と流率法（微分法）による数学的武装のみごとさは、近代科学の範とするに足るものであった。万有引力の形而上学的性格をめぐるデカルト主義との対立はニュートンをして「われ仮説をつくらず」といわしめたが、これとてフランス革命政府の手による地球子午線の測定によって一つの決着がつけられて以後は、ニュートン主義の確たる勝利として力学的世界像の定着をもたらすこととなる。デカルト的連続世界にかわる粒子的描像、物質とは独立な絶対時間と絶対空間、それらによる因果的・決定論的記述、等々はやがて力学的世界観を基礎づけ、物理学を支配するものとなった。それは「理性の時代」を支える精神的支柱であった。

　なお、ニュートン的決定論では、いままでの全能者神は、初期条件を定める創造者の位置に後退する。名誉革命を経たイギリスの、立憲君主制の成立という時代的背景は、かならずしも偶然ではないであろう。

　やがて現出される数理的科学の時代もこの延長線上に把握することができる。ラプラスの活躍や、静力学と動力学を統一したダランベールに発する解析力学の進展は、力学の内容をより精細に、さらに豊かに内容づけて、海王星の予言と発見に至る力学の勝利の行進を彩った。

［藤村　淳］

物理学的自然の多様性と力学的自然観

物理学の変革