物理学レクチャーコース 量子力学入門

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物理学の醍醐味のーつは、物理法則が美しく彩られた数式の形で表されることである。本書は、「相互作用」と「対称性」に着目して、3つの相互作用（電磁相互作用、強い相互作用、弱い相互作用）を軸に、対称性を通奏低音のようなバックグラウンドにして、「素粒子の標準模型」を理解することを目標に据えた。
標準模型の基本数式を理解するためには、「テンソル解析」「群論」という数学と「場の量子論」という物理学が必要になる。これまであまり馴染みのない数式や表現に戸惑うかもしれないが、本格的な専門書や論文を読むための踏み台となるような内容と解説に心掛けたので、そのモヤモヤした気持ちをグッと堪えて、とりあえず受け入れて読み進めてほしい。その後で、気になった数式に戻って、専門書なども参考にしながら、自分で導出してみたり、その意味するところをあれこれ考えてみるとよいだろう。

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本書では、量子力学の入門書として、その魅力や面白さを伝えることを第一に考えた。量子力学の面白さは何といっても、その謎解きの物語にあり、直感とは相容れない不思議な現象の数々を先人たちが一つずつ解き明かしていく様を見ることは、どんな推理小説にも負けない、最高の知的エンターテインメントといえよう。
さらに、その謎解きの物語を通して、先人たちの創意工夫を学ぶことにも注力した。標準的な量子力学のテキストは、量子力学に関する知識を速やかに吸収し、学んだことを様々な問題に応用できる人材を養成するには適しているかも知れない。しかし、既存の概念を覆し、新しい概念を生み出すような創造的な仕事を成し遂げるための訓練という観点からは、歴史的な経緯に沿って学ぶというアプローチも効果的と考えた。したがって本書は、量子力学の初学者はもとより、すでに一通り学んだことのある方々にとっても、きっと新たな視点を提供できるであろう。
本書の読者の中から、既存の概念を覆し、新しい概念を生み出す、真の開拓者が現れることを心より願っている。

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本シリーズでは、講義する先生の目線で内容を吟味する編集委員に加え、国立科学博物館認定サイエンスコミュニケーターの須貝駿貴さんと予備校のノリで学ぶ「大学の数学・物理」講師のヨビノリたくみさんに編集サポーターとして加わっていただき、学習する読者の目線で、テキストの内容がよりわかりやすく、より魅力的なものになるように内容を吟味していただいていることも、大きな特徴の一つとなっている。

本書で扱う相対性理論は、アインシュタインが1905年に提唱した「特殊相対性理論」である。この理論のもつ「時間と空間」（時空）の概念から、「同時刻の相対性」「時計の遅れ」「ローレンツ収縮」などの一見『非常識的な現象』が導かれる。しかしながら、これらはすべて、私たちが素朴に信じている（ガリレイの相対性原理に基づく）ニュートン力学の時空概念を、アインシュタインの「光速度不変の原理」に基づいて見直せば、ごく自然に導かれる『常識的な現象』なのである。本書では、これらのことを様々な例を用いて解説すると共に、相対論的に拡張された電磁気学と力学の基礎方程式を、関連した諸問題に適用して解く方法を解説した。
また、相対性理論の数学的な構造を学ぶときに必要になる、共変ベクトルや反変ベクトル、テンソルなどの考え方を豊富な図を用いてやさしく解説し、あわせて計算過程を詳しく示すことによって、ベクトルやテンソルの具体的な計算方法とそれらの効用がわかるようにした。
さらに、相対性理論の書籍では簡素な説明になることも多い「高エネルギー粒子の運動状態」についても詳しく解説した。

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物理学の教育・学びの双方に役立つ21世紀の新たなガイドとなることを目指し、多様化する“大学の講義と学生のニーズ”に応えるものとして刊行された、『物理学レクチャーコース』の一冊である。
本シリーズでは、講義する先生の目線で内容を吟味する編集委員に加え、国立科学博物館認定サイエンスコミュニケーターの須貝駿貴さんと予備校のノリで学ぶ「大学の数学・物理」講師のヨビノリたくみさんに編集サポーターとして加わっていただき、学習する読者の目線で、テキストの内容がよりわかりやすく、より魅力的なものになるように内容を吟味していただいたことも、大きな特徴の一つとなっている。

本書は、物理学科向けの通年タイプの講義に対応したもので、数学に振り回されずに物理学の学習を進められるようになることを目指し、学んでいく中で読者が疑問に思うこと、躓きやすいポイントを懇切丁寧に解説している。また、物理学系の学生にも人工知能についての関心が高まってきていることから、最後の章として「確率の基本」を設けた。
本書で習得した物理数学を使って本シリーズ全体にチャレンジし、物理学の魅力を少しでも体験していただければ嬉しい限りである。

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物理学の教育・学びの双方に役立つ21世紀の新たなガイドとなることを目指し、多様化する“大学の講義と学生のニーズ”に応えるものとして刊行された、『物理学レクチャーコース』の一冊である。
本シリーズでは、講義する先生の目線で内容を吟味する編集委員に加え、国立科学博物館認定サイエンスコミュニケーターの須貝駿貴さんと予備校のノリで学ぶ「大学の数学・物理」講師のヨビノリたくみさんに編集サポーターとして加わっていただき、学習する読者の目線で、テキストの内容がよりわかりやすく、より魅力的なものになるように内容を吟味していただいたことも、大きな特徴の一つとなっている。

「惑星の運動（地上に落ちてこない星々）」と「地上での様々な物体の運動（地上に落下する諸物体）」とが矛盾しない「天と地の統一理論」の構築に成功した、人類史上最高傑作の1つといえる、この知的創造物こそが「力学」であり、力学は、物理学の中で最初に完成した理論体系である。
本書は、物理学科向け通年タイプの「力学」の講義に対応したもので、取り扱った内容は、ところどころ発展的な内容も含んではいるが、大学で学ぶ力学の標準的な内容となっている。したがって、本文中に登場する数式を1つ1つ丁寧に追いかけ、Exercise・Training、さらにはPracticeを活用しながら本書で力学を学び終えれば、「大学レベルの力学は身に付けた」と自信をもてる内容となっている。

さぁ、紙と鉛筆を持って、力学の冒険に出かけよう！