３ 近代物理学の展開と矛盾の拡大
３ー１ 熱学・気体分子運動論
- カルノー（１７９６ー１８３２） 「火の動力についての省察」
彼は熱素説に立っていたが、「熱は運動の原因になることができ、しかもそれが非常に大きな動力を持つことを知らぬ人はいない。今日ひろく普及している蒸気機関が、そのことを誰の目にも明らかに証明している。」と。彼は「熱から動力が発生するとき、必ず高温から低温への熱の移動が伴う」こと、また「熱平衡状態の下では熱から動力を得ることはできない」ということ、および断熱膨張で温度が下がり、断熱圧縮で温度が上がるという事実に注目し、理想的な熱機関（カルノー機関）を考察し、これを越える熱機関は有り得ないことを示した。理想機関はまた可逆機関でもある。
- クラウジウス（１８２２ー１８８８）の熱力学の２大法則
１ 仕事は熱に、また熱は仕事に変わることができるが、そのとき一方の量は他方の量に常に比例する（ジュール（１８１８ー１８８９）は熱の仕事当量にかんする測定を１８４５年から１８７８年までの約３０年にわたって行った）
２ 何等かの変化を残さずに熱は低温物体から高温物体へ移ることはできない。この法則は可逆過程ではエントロピーは保存され、非可逆過程は必ずエントロピーの増加をもたらすというようにも表せる。
- 彼は熱素説にもとづいて作られた気体の諸現象にあらわれる諸性質を分子運動の立場から書き直そうとした。
- マックスウエル（１８３１ー１８７９）は気体の諸性質を分子運動の結果として導く立場（統計的方法）をとり、気体の速度分布、エネルギー等分配則、ボイル・シャールの法則、アヴォガドロの仮説を導いた。
- ボルツマン（１８４４ー１９０６）は非平衡状態にある分子集団が非可逆的に、一意的な平衡状態に達することの力学的保証をもとめ、平衡状態の条件からマックスウエルの分布関数を導き、また彼の導いたＨ関数が熱力学のエントロピーと関係していることも明かとなり、熱力学の第２法則の統計的証明がなされたと考えた。彼の導いたものはボルツマンのＨ定理と呼ばれている。
- 分子運動論者の前提は分子の衝突における力学的法則のほかに、確率論を併用している。それはまた「どのような条件のもとで力学系の時間的平均が力学系の空間的平均に等しいか」というエルゴード仮説でもある。
３ー２ 電磁気学
- 天然磁石が鉄をひきつけたり、琥珀を摩擦すると小さな塵をひきつけたりすることは古くから知られていた。ギルバートの「磁石について」は１６００年に出されている。１７３３年にデユ・フェーは電気に２種類あることを見つけた。（電気の２流体説）
- １７８５年にフランスのクーロン（１７３８ー１８０６）によって「２つの同種に帯電した２球間の斥力は、その球の中心間の距離の２乗に反比例する（クーロンの法則）」が確かめられた。
- １８２０年にデンマークのエルステッド（１７５７ー１８５１）によって「電流の磁気作用」が見いだされ、アンペール（１７７５ー１８３６）、ガウス（１７７７ー１８５５）およびオーム（１７８７ー１８５４）によって、電流の作る磁場と電流が導体を流れる仕方（磁極はそれと電流の流 れる針金とを結ぶ線に直角の方向に動かされる）との理解を定量的数学的に明らかにした。
- １８３１年にイギリスのファラデー（１７９１ー１８６７）によって電磁誘導が発見され、１８３７年には近接作用論の立場からの電磁理論の基礎が確立された。（電磁場の概念）
- １８６４年にスコットランドのマックスウエルは「電磁場の動力学的理論」を発表し、光の電磁理論（１８６１）と電磁波の存在を予言した。
- １８８７年にドイツのヘルツ（１８５７ー１８９４）はマックスウエルの予言した電磁波（波長は６６ｃｍ）の存在証明実験に成功した。
- ニュートンは光は小さい粒子であると考えていたが、これに対しホイヘンス（１６２９ー１６９５）は光の波動説を唱えていた。光の波動説は光の「直進」「回折」「反射」「屈折」「干渉」「分散」などの諸性質をうまく説明できた。ホイヘンスは「真空」中にあっても光を伝える「エーテル」というものを考えていた。マックスウエルによって光が電磁波であることが明かとなったので、この波を伝える媒質としての「エーテル」の存在が問題となってきた。
- マイケルソン（１８５２ー１９３１）とモーレー（１８３８ー１９２３）の実験（１８８７） 彼らは地球とエーテルとの相対運動を発見する目的で行ったが結果は否定的であった。エーテルが地球の表面に対して静止しているという結果となった。
３ー３ 原子論と放射能の発見
- イギリスの化学者ドールトン（１７６６ー１８４４）は１８０８年に「化学の新体系」の第１巻を発表し、原子論を系統的に展開した。以来イタリアのアボガドロ（１７７６ー１８５６）の分子論の提唱（１８１１）もあり、さらに気体分子運動論も一定の成功をおさめた。分子はいくつかの原子の結合体として理解され、物質の究極の粒子としての原子はこれ以上分割できないものと考えられていた。
- １８６９年にドイツのヒットルフによって陰極線が発見され、１８９７年にＪ．Ｊ．トムソン（１８５６ー１９４０）は陰極線が電子の流れであることを確認した。電子は全ての物質に含まれていることもわかってきた。真空放電の研究から１８９５年にはドイツのレントゲン（１８４５ー１９２３）がＸ線を発見し、それが大変短い電磁波であることも明かとなった。
- １８９６年にはフランスのベクレル（１８５２ー１９０８）がウランの放射能を発見し、１８９８年にはフランスのキュリー夫妻（１８５９ー１９０６、１８７１ー１９３４）が放射性元素のラジウムとポロニウムを発見した。
- 原子は究極的に安定ではないものもあり、その構造が問題となった。１９０４年にトムソンは、プラスの電気を帯びた流体的物質が原子全体にわたって存在しており、そのなかに多くの電子が特別の配位をもって運動しているというトムソンの原子模型を提出した。
- １９１１年にラザホード（１８７１ー１９３７）は、アルファ線と原子との衝突の実験を行い、原子はトムソン模型のようなものではなく、正電気をもった原子核のまわりを電子の群からなると考えた。しかし、そのような原子が安定に存在する理由はすぐには見つけることが出来なかった。
- 光あるいは紫外線を金属に当てるとき、金属内にあった電子が照射した光のエネルギーを吸収して外に飛び出る現象（光電効果）がある。これは光の波動論では説明出来ない。
４ 現代物理学の成立
４ー１ 相対性理論
- マイケルソンとモーレーの実験結果にたいしローレンツ（１８５３ー１９２８）は「地球の運動方向を向いた腕が、他方の腕よりも (v/c)**2 だけ短くなると仮定すればマイケルソンとモーレーの実験結果は完全に説明できる。従って、個体は静止エーテル中を運動すると、物体の大きさにその影響が及ぶと考えなければならない（ローレンツ短縮の仮説）」とした。
- アインシュタイン（１８７９ー１９５５）の特殊相対性理論（１９０５）
この理論はニュートン的絶対時空概念を根本から変革する画期的なものである。アインシュタインは一人でこの理論を作り上げたが、その正しさはその後いたるところで証明されている。それは次の２つの原理を基礎とし、これから導くことが出来る。
- １ 特殊相対性原理 互いに等速度運動をするすべての慣性系において、物理法則はいつも同じ形で成り立つ。
２ 光速不変の原理 光は真空中を常に一定の速さｃで伝わり、この速さは慣性系における光源および観測者の運動状態には無関である。
- この理論は光の速度に近い速さで運動している物体に現れる一見奇妙な現象、「時計の遅れ」「長さの短縮」「質量の増加」などを予言し説明した。
- 一般相対性理論は１９１５に発表された。特殊相対性理論で扱うのは慣性系だけであったが。アインシュタインは、これを一般化し、加速系をも包括的に扱う理論を作り上げた。
- １ 一般相対性原理 加速度運動している系を含めて、すべての系で、物理法則の形は不変である。
２ 等価原理 重力と加速系の見かけの力とは区別ができず、本質的には同じものである。加速度系というものはなく、あるのは慣性系だけであり、加速度系とみえるのは実は重力が加わった系なのであると。
- この理論によると、光も重力によって曲げられ、重力のあるところでは時計はゆっくり進む。このことは実験的にも確かめられている。
- 大きな質量が一定の大きさ内の小さいところに集中していると、それが及ぼす強い重力のために、外から光が吸い込まれることはあっても、そこから外ヘ光は出ることが出来ないことも起こりうる。（ブラックホール）
４ー２ 量子力学の成立過程
- １９００年にプランクの量子仮説は空洞輻射（黒体輻射）に関する光のエネルギー分布を説明するために導入されたものである。それはレリー・ジーンズおよびウイーンの両分布則を反対の極限として与えるような、いわゆるプランクの内挿公式が提案された。プランクは彼の内挿公式がどの様な仮定のもとに導かれるかを考察し、結論として、それは「力学的エネルギーの連続性」を放棄し、調和振動子のエネルギーをエネルギー要素 hνの整数倍に量子化された非連続的な値をとると仮定することにあることを 見いだした（量子仮説）。
- プランクの導入した作用量子ｈは自然の不連続性を規定する革命的なものであった。このエネルギー量子の考えは１９０５年にアインシュタインによって「光量子」の主張として展開された。光の粒子説は「光電効果」を説明することができた。１９２３年にはコンプトン（１８９２ー１９６２）によってコンプトン散乱という現象が見つかり、光はエネルキー量子であるだけでなく運動量としても粒子であることが確かなものとなった。
- １９１３年にデンマークのＮ・ボーア（１８８５ー１９６２）がラザホードの原子模型をつかって、原子核のまわりをまわる電子は、いくつかの許された軌道の上だけをまわるという「原子論」を提唱。そこでは電子の運動量の大きさと電子の軌道の１周の長さをかけたものはプランクの定数ｈの整数倍のなるものだけが許される（ボーアの量子条件）。電子がエネルギーの高い軌道から低い軌道に遷移するときに光を放出するとして、水素原子からの光の離散的スペクトラムを見事に説明した。
- １９２３年にフランスのド・ブロイ（１８９２ー１９８７）によって、「ド・ブロイ波（物質波）」と呼ばれる電子にともなう位相波が提案され、それによって原子の中での電子の軌道の安定性が説明された。ド・ブロイ波は後にアメリカのデヴィソン（１８８１ー１９５８）、ガーマー（１８９６ー１９７１）らの電子線回折の実験（１９２７）によって、その実在性が立証された。
- １９２６年にド・ブロイの物質波がどの様に伝わるかをきめる方程式はオーストリアのシュレーデンガー（１８８７ー１９６１）によって与えられた（シュレーデンガー方程式） 波動力学では物質波は複素数（波動関数）であらわされる。１９２５年にドイツのハイゼンベルグ（１９０１ー１９７６）はシュレーデインガーとは別の行列力学を提唱していた。シュレーデインガーは行列力学の内容は波動力学に包含されることをも明かとした。これらは全体として「量子力学」と呼ばれている。
４ー３ 量子力学の認識論
- 光は電磁波として波であるとともに光量子としてエネルギー粒子であることとなった。電子は決まった質量と電価をもった粒子でありながら、同時にド・ブロイの波であることとなった。量子の世界における粒子性と波動性という物質の２重性は全ての物質に存在することが明かとなった。さらに、ハイゼンベルグが示した不確定性関係は物質についての人間の認識の限界を示すものではないかとの解釈も生まれ、認識論上の大きな争点となった。
- ゲッチンゲン学派のボルン（１８８２ー１９７０）は１９２６年に波動関数にたいして画期的な「確率解釈」を提唱した。それは解釈というよりは「量子力学の確率規則」ともいうべきものであり、波動関数の絶対値が存在確率を表すとするものである。
- さらにハイゼンベルグによって、１９２７年に量子力学における「不確定性関係」が提唱された。それは電子の位置と運動量を同時にかつ無制限に精確に確定することは原理的に不可能であり、その精度はプランクの定数 ｈによって特徴付けられる次の「不確定性関係」によって制約されている。
- Δｘ・Δｐ≧ｈ／２
- １９３２年にブタペスト生まれのノイマン（１９０３ー１９５７）は量子力学に現れる不確定性関係は「隠れた変数」の存在によるものではないことを示した。
- 物質の粒子性と波動性という二重性、量子力学の確率規則と不確定性関係などに現れる量子の世界の特異な諸性質は、その成立の当初から解釈をめぐって論争となった。波動関数として表現される量子力学的状態と現象との関係は「観測の問題」につて鋭い対立をもたらしてきた。
５ 原子・原子核・素粒子の世界
- 原子より小さい世界では量子力学が適用される。１９１１年にラザホードによって原子核が見いだされ、１９３２年にチャドヴィクはアルファ線をベリリウムに当てた際に放出される中性子が衝突して蹴飛ばされた反跳陽子を観測し、中性子を発見した。原子核は陽子と中性子によって作られていることがわかってきた。
- １９３５年に湯川（１９０７ー１９８１）が核子と核子を引き付けている力として電子の２００倍の質量をもつ中間子が交換されるとするモデルを提唱した。この中間子は１９４７年にパウエル（１９０３ー１９６３）らによって宇宙線の中に発見され、１９４８年には加速器によって人工的につくりだすことが出来るようになった。湯川は１９４９年に「核力の理論による中間子存在の予言」の業績によってノーベル物理学賞を日本人として初めて授賞した。
- １９２８年にデイラック（１９０２ー１９８４）は相対論的電子論を作り上げたが、そこでは陽電子という電子の反物質の存在を予言することとなった。この陽電子は１９３２年にアンダーソンによって宇宙線の中で発見された。１９５５年にはセグレらにより反陽子も発見され、デイラックの「真空からの対生成」の理論は実験的に検証された。
- １９５６年に坂田によって素粒子の複合モデルが提唱されたが、１９６４年にはゲルマンとツヴァイクによって素粒子のクオーク模型が提唱された。現在では更に改良され、標準模型として確立している。
- １９２６年のハップルによる宇宙の遠方からの光の赤方偏移の発見、さらに１９６５年のベンジアスとウイルソンの宇宙背景輻射の発見を基礎とした膨張宇宙論は、素粒子・原子核の理論を基礎として１５０億年の宇宙発展の壮大な歴史を明かとしつつある。
６ おわりに
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物理学の発展の歴史をみれば明かとなるのは、物理学は技術（実験技術ばかりでなく論理的数学技術を含め）と不可分に結び付いており、また事物の認識に関する哲学の影響を受け、哲学に影響を与えながら発展してきた。
科学者と呼ばれる職業的科学研究者によって行われるようになったのはまだ３００年を数えるにすぎない。ギリシャ時代にあっては、科学は自由市民としての哲学者の思索の一部でしかなかった。その後も彼らは王侯貴族のサポートをうけた専門的助言者であったり、教会の僧侶であったりした。１２世紀にヨーロッパ各地に大学が設置されるに及んで、彼らは教育者となり、１７世紀頃になって物理学は大学での教授の対象となってきた。
自然科学、特に物理学は過去の全ての知識を包含し、新しい体系にまとめあげたものであると思われている。科学にはその様な側面があることは否定しない。しかし重要なことは科学は連続して発展してきたのであり、その際、科学の進歩には昔から絶えず積み上げてきた世界像や宇宙モデルがなくてはならなかったということである。それら（世界像や宇宙モデル）は部分的には証明できるが、部分的には神話的で証明が怪しいか或は全く欠けている箇所があるものである。
また理論は説明しようと考えた事実より広い範囲の物事を説明することを含むものである。従って実際に多くの科学者の仕事は観測・実験と既存の認識との矛盾の発見の歴史でもあるのである。科学の発展にとって重要なことは、何が今必要な「事実」なのかを見つけることであり、それは研究課題の設定であり、その課題の科学の発展における意義についての認識である。
さらに追加するなら、観察したことを解釈するに当たって伝統的な観念から抜け出すことは大変むずかしいということである。物理学は専門家集団によってなされてるとはいえ、やはり自然に関する人間の社会的認識活動の一部なのであり、そこで認識された体系は人間の頭脳に反映された自然の姿であるからである。
参考文献
科学史・物理学史
アリストテレスのフィジカについて 矢島祐利 科学史研究１１号
歴史における科学 バナール 鎮目恭夫ほか訳 みみず書房
思想としての物理学の歩み フント 井上健ほか訳 吉岡書店
科学思想史 坂本賢三 岩波全書
物理学の歴史 竹内均 講談社学術文庫
ギリシャ哲学者列伝 デイオゲネス・ラエルテイオス 加来彰俊訳 岩波文庫
異端の科学史（近代科学の源流・物理学編別巻）大野陽明ほか 北海道大学図書刊行会
新しい科学史の見方 謝世輝 講談社brue backs
アラビア科学史序説 矢島祐利 岩波書店
科学思想史概説 本多修郎 朝倉書店
近代物理学の成立過程
近代科学の源流（物理学編I,II,III）大野陽明ほか 北海道大学図書刊行会
物理学はいかに創られたか アインシュタイン 石原純訳 岩波新書
物理学とは何だろうか 朝永振一郎 岩波新書
近代科学の誕生 バターフイールド 渡辺正雄訳 講談社
天文対話 ガリレオ 青木靖二訳 岩波文庫
新科学対話 ガリレオ 今野武雄ほか訳 岩波文庫
自然科学の名著１００選 田中実ほか 新日本新書
現代物理学の認識論
量子力学のはなし 小出昭一郎 東京図書ＫＫ
物理学的世界像の発展 田中正 岩波書店
量子力学の反乱 町田茂 学習研究社
量子力学はこうして生まれた ヘンドレイ 並木美喜雄監修 丸善ＫＫ
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