現代物理における物質と宇宙の理解

本講義では，以下のテーマを取り上げます：

• 基礎物理：
  原子，分子に基づいた現代の物質像．エネルギー， 温度， 波の干渉，といった基礎的な物理概念．
• 量子力学の世界：
  原子はなぜ特定の大きさを持つのか？ なぜ安定なのか？ 不確定性原理とは何だろうか？ 粒子と波の二重性とは？
• 宇宙物理：
  宇宙の "始まり" 星はなぜ光るのか？ 星の一生とは？ ブラックホールとはどのようなものか？ 我々の宇宙には存在するのか？
• 特殊相対性理論，一般相対性理論：
  「相対性」とは？ 宇宙旅行で年をとらないとは本当か？ なぜ相 対性を一般的に考えると重力の理論なのか？

物理の面白さは「なぜ」という問題に答えるところにあると思います． なぜ その理解が正しいと主張できるのか， なぜ そのような 現象が起きるのか，そして なぜそのような理解に至ったののか， といった「なぜ」です．「なぜ」ということを考えることによって一見 不思議に見えるかも知れない現代物理の世界も，むしろ自然に感じられ ると思います． 現代物理が難しいとすれば，それはいかに先入観にとらわれずに新しい 概念を受け入れられるかという点だと思います．文化系の学生であるか ら理解できないということはありません．高校で物理を学んでいること は前提としません．使う数学は中学程度のものです．

隔週ごとに，講義と実験を行ないます．実験は２人１組で行ない，簡単 なものなので恐れることはありません．実験はインフォーマルな参加型 授業なのでむしろ楽しいと思います．講義で課すレポート，実験レポー ト，そして講義と実験の出席状況を評価の材料とします．試験はしませ ん．１クラス６０人程度の人数制限があります．

Contents

Lectures

1. general physics: microscopic view of temperature. (equipartition). kinetic theory of gases and phase transitions. microscopic reversibility and macroscopic irreversibility. concept of entropy.
2. waves: what are waves? interference and diffraction. their meanings in everyday life. doppler effect.
3. quantum mechanics 1: photo electric effect. meaning of a quantum.
4. quantum mechanics 2: uncertainty principle. structure of the atom and its experimental basis. stability of the atom and quantum mechanics.
5. quantum mechanics 3: atomic spectra and the wave nature of particles. atomic spectra and light. tunnel effect.
6. special relativity 1: what is relativity? time dilation. Lorentz contraction. Lorentz transformation. Rough estimate of SR effects.
7. special relativity 2: addition of velocities. meaning of 'spacetime' in SR. causality. introduction to general theory of relativity.
8. general relativity 1: principle of equivalence. bending of light. gravitational red shift. black holes.

Talks related to Experiments

1. Monte Carlo method. Numerical integration. Concept of errors, statistical and systematic. Statistical errors of averages.
2. Mechanism of surfectants and Ben Franklin's measurement. Soaps - why thin films, how they clean grease.
3. Newton's law and mechanics. Dimensional analysis.
4. Refraction and the speed of light, or waves in general. Fermat's principle and more general understanding of wave propagation.
5. What is color? Fluorescence. Why is the sky blue? Why are the clouds white?
6. Conservation of energy, heat and heat capacity.
7. Elasticity. Young's constant and Poisson ratio. Description of uniform materials.
8. Photo electric effect and light quantum hypothesis. Its bearing on the experiment.
9. Interference and diffraction: What are they? What is a laser light?
10. e/m experiment. meaning of e/m and relativity.
11. fields, waves and particles. what are quarks?

1. Interatomic forces - their origin and their prevalence.
2. Newton and Hooke.
3. Quarks.