第1章物理学とは何かWhat is Physics?原書 p.5–54

SECTION LEARNING OBJECTIVES By the end of this section, you will be able to do the following:

この節の学習目標 この節を終えると、次のことができるようになる。

• Describe the definition, aims, and branches of physics• Describe and distinguish classical physics from modern physics and describe the importance of relativity, quantum mechanics, and relativistic quantum mechanics in modern physics• Describe how aspects of physics are used in other sciences (e.g., biology, chemistry, geology, etc.) as well as in everyday technology

・物理学の定義、目的、および分野を説明する・古典物理学と現代物理学を区別して説明し、現代物理学における相対性理論、量子力学、相対論的量子力学の重要性を述べる・物理学の考え方が他の科学(生物学、化学、地質学など)や日常の技術にどう使われているかを説明する

Think about all of the technological devices that you use on a regular basis. Computers, wireless internet, smart phones, tablets, global positioning system (GPS), MP3 players, and satellite radio might come to mind. Next, think about the most exciting modern technologies that you have heard about in the news, such as trains that levitate above their tracks, invisibility cloaks that bend light around them, and microscopic robots that fight diseased cells in our bodies. All of these groundbreaking advancements rely on the principles of physics.

あなたが日頃使っている技術製品をすべて思い浮かべてほしい。コンピュータ、無線インターネット、スマートフォン、タブレット、全地球測位システム(GPS)、MP3プレーヤー、衛星ラジオといったものが浮かぶだろう。次に、ニュースで耳にするような、最先端の技術を思い浮かべてほしい。線路の上に浮いて走る列車、光を回り込ませる透明マント、体内で病んだ細胞と戦う微小ロボット——こうした画期的な進歩はすべて、物理学の原理に支えられている。

Physics is a branch of science. The word science comes from a Latin word that means having knowledge, and refers to the knowledge of how the physical world operates, based on objective evidence determined through observation and experimentation. A key requirement of any scientific explanation of a natural phenomenon is that it must be testable; one must be able to devise and conduct an experimental investigation that either supports or refutes the explanation. It is important to note that some questions fall outside the realm of science precisely because they deal with phenomena that are not scientifically testable. This need for objective evidence helps define the investigative process scientists follow, which will be described later in this chapter.

物理学は科学の一分野である。英語の science は「知識を持つこと」を意味するラテン語に由来する。科学では、観察や実験で得た客観的な証拠に基づいて、自然界の仕組みを明らかにする。自然現象についての説明が科学的であるためには、検証できなければならない。つまり、その説明を支持する証拠や反証する証拠を得られるような調査・実験を考え、実行できる必要がある。科学的に検証できない事柄を扱うために、科学の対象にならない問いもある。このように客観的な証拠を求める姿勢が、科学者の探究の進め方を支えている。詳しくはこの章の後半で学ぶ。

Physics is the science aimed at describing the fundamental aspects of our universe. This includes what things are in it, what properties of those things are noticeable, and what processes those things or their properties undergo. In simpler terms, physics attempts to describe the basic mechanisms that make our universe behave the way it does. For example, consider a smart phone (Figure 1.2). Physics describes how electric current interacts with the various circuits inside the device. This knowledge helps engineers select the appropriate materials and circuit layout when building the smart phone. Next, consider a GPS. Physics describes the relationship between the speed of an object, the distance over which it travels, and the time it takes to travel that distance. When you use a GPS device in a vehicle, it utilizes these physics relationships to determine the travel time from one location to another.

物理学とは、この宇宙の最も基本的な側面を記述することを目指す科学である。そこには、宇宙に何が存在するのか、それらのどんな性質が観測にかかるのか、そしてそれらの物やその性質がどんな過程をたどるのか、が含まれる。もっと平たく言えば、物理学は、この宇宙が現にこう振る舞っている、その基本的な仕組みを記述しようとする試みである。たとえばスマートフォン(図1.2)を考えてみよう。物理学は、電流が機器内部のさまざまな回路とどう相互作用するかを記述する。この知識があるから、技術者はスマートフォンを作るときに適切な材料と回路配置を選ぶことができる。次にGPSを考えよう。物理学は、物体の速さと、その物体が動いた距離と、その距離を進むのにかかる時間との関係を記述する。車載GPSを使うとき、装置はこの物理的な関係を用いて、ある地点から別の地点までの所要時間を割り出している。

As our technology evolved over the centuries, physics expanded into many branches. Ancient peoples could only study things that they could see with the naked eye or otherwise experience without the aid of scientific equipment. This included the study of kinematics, which is the study of moving objects. For example, ancient people often studied the apparent motion of objects in the sky, such as the sun, moon, and stars. This is evident in the construction of prehistoric astronomical observatories, such as Stonehenge in England (shown in Figure 1.3).

技術が何世紀もかけて進歩するにつれ、物理学は多くの分野へと広がっていった。古代の人々は、肉眼で見えるもの、あるいは科学的な装置なしに経験できるものしか研究できなかった。そこに含まれていたのが運動学、すなわち動いている物体を扱う学問である。たとえば古代の人々は、太陽、月、星といった天空の物体の見かけの運動をしばしば研究した。それは、イングランドのストーンヘンジ(図1.3)のような先史時代の天文観測施設の建造に表れている。

Ancient people also studied statics and dynamics, which focus on how objects start moving, stop moving, and change speed and direction in response to forces that push or pull on the objects. This early interest in kinematics and dynamics allowed humans to invent simple machines, such as the lever, the pulley, the ramp, and the wheel. These simple machines were gradually combined and integrated to produce more complicated machines, such as wagons and cranes. Machines allowed humans to gradually do more work more effectively in less time, allowing them to create larger and more complicated buildings and structures, many of which still exist today from ancient times.

古代の人々はまた、静力学と動力学も研究した。これらは、物体を押したり引いたりする力に応じて、物体がどのように動きはじめ、動きを止め、速さや向きを変えるのかを扱う。この運動学と動力学への早い時期からの関心が、てこ、滑車、斜面、車輪といった単純機械を人類に発明させた。これらの単純機械はしだいに組み合わされ統合されて、荷車やクレーンのようなより複雑な機械が生まれた。機械のおかげで人類は、より多くの仕事を、より効率よく、より短い時間でこなせるようになり、より大きく複雑な建物や構造物を作れるようになった。その多くは古代のものでありながら今日まで残っている。

As technology advanced, the branches of physics diversified even more. These include branches such as acoustics, the study of sound, and optics, the study of the light. In 1608, the invention of the telescope by a German spectacle maker, Hans Lippershey, led to huge breakthroughs in astronomy—the study of objects or phenomena in space. One year later, in 1609, Galileo Galilei began the first studies of the solar system and the universe using a telescope. During the Baroque era, Isaac Newton used observations made by Galileo to construct his three laws of motion. These laws were the standard for studying kinematics and dynamics even today.

技術が進むにつれ、物理学の分野はさらに多様になった。音を扱う音響学、光を扱う光学などがそれである。1608年、ドイツの眼鏡職人ハンス・リッペルハイによる望遠鏡の発明は、天文学——宇宙空間の天体や現象を扱う学問——に巨大な突破口をもたらした。その1年後の1609年、ガリレオ・ガリレイが望遠鏡を用いて太陽系と宇宙の最初の研究を始めた。バロック期には、アイザック・ニュートンがガリレオの観測をもとに三つの運動の法則を組み立てた。これらの法則は、今日にいたるまで運動学と動力学を学ぶ際の基準であり続けている。

Another major branch of physics is thermodynamics, which includes the study of thermal energy and the transfer of heat. James Prescott Joule, an English physicist, studied the nature of heat and its relationship to work. Joule’s work helped lay the foundation for the first of three laws of thermodynamics that describe how energy in our universe is transferred from one object to another or transformed from one form to another. Studies in thermodynamics were motivated by the need to make engines more efficient, keep people safe from the elements, and preserve food.

物理学のもう一つの大きな分野が熱力学であり、熱エネルギーと熱の移動を扱う。イギリスの物理学者ジェームズ・プレスコット・ジュールは、熱の本性と、熱と仕事との関係を研究した。ジュールの仕事は、この宇宙でエネルギーがある物体から別の物体へ移り、あるいはある形から別の形へ変わるさまを記述する熱力学の三法則、その第一法則の土台を築くのに役立った。熱力学の研究を後押ししたのは、熱機関をより効率よくしたい、人々を厳しい自然環境から守りたい、食物を保存したい、という必要だった。

The 18^th and 19^th centuries also saw great strides in the study of electricity and magnetism. Electricity involves the study of electric charges and their movements. Magnetism had long ago been noticed as an attractive force between a magnetized object and a metal like iron, or between the opposite poles (North and South) of two magnetized objects. In 1820, Danish physicist Hans Christian Oersted showed that electric currents create magnetic fields. In 1831, English inventor Michael Faraday showed that moving a wire through a magnetic field could induce an electric current. These studies led to the inventions of the electric motor and electric generator, which revolutionized human life by bringing electricity and magnetism into our machines.

18世紀と19世紀には、電気と磁気の研究も大きく前進した。電気は電荷とその移動を扱う。磁気のほうは、磁化された物体と鉄のような金属との間、あるいは磁化された二つの物体の異なる極(N極とS極)の間にはたらく引力として、はるか昔から気づかれていた。1820年、デンマークの物理学者ハンス・クリスティアン・エルステッドが、電流が磁場を作り出すことを示した。1831年には、イギリスの発明家マイケル・ファラデーが、磁場の中で導線を動かせば電流を誘導できることを示した。これらの研究は電動機と発電機の発明につながり、電気と磁気を我々の機械の中に持ち込むことで、人間の生活を一変させた。

The end of the 19^th century saw the discovery of radioactive substances by the scientists Marie and Pierre Curie. Nuclear physics involves studying the nuclei of atoms, the source of nuclear radiation. In the 20^th century, the study of nuclear physics eventually led to the ability to split the nucleus of an atom, a process called nuclear fission. This process is the basis for nuclear power plants and nuclear weapons. Also, the field of quantum mechanics, which involves the mechanics of atoms and molecules, saw great strides during the 20^th century as our understanding of atoms and subatomic particles increased (see below).

19世紀の終わりには、科学者マリーとピエールのキュリー夫妻によって放射性物質が発見された。原子核物理学は、原子の核——核放射線の源——を扱う。20世紀には、原子核物理学の研究がやがて、原子の核を分裂させる能力、すなわち核分裂と呼ばれる過程へと行き着いた。この過程が、原子力発電所と核兵器の基礎になっている。また、原子や分子の力学を扱う量子力学の分野も、原子と素粒子についての理解が深まるにつれ、20世紀に大きく前進した(後述)。

Early in the 20^th century, Albert Einstein revolutionized several branches of physics, especially relativity. Relativity revolutionized our understanding of motion and the universe in general as described further in this chapter. Now, in the 21^st century, physicists continue to study these and many other branches of physics.

20世紀の初め、アルベルト・アインシュタインが物理学のいくつかの分野に革命をもたらした。とりわけ相対性理論である。相対性理論は、運動について、そして宇宙全般についての我々の理解を一変させた。詳しくはこの章で述べる。そして21世紀の今も、物理学者たちはこれらの分野、そして他の多くの分野の研究を続けている。

By studying the most important topics in physics, you will gain analytical abilities that will enable you to apply physics far beyond the scope of what can be included in a single book. These analytical skills will help you to excel academically, and they will also help you to think critically in any career you choose to pursue.

物理学の最も重要な主題を学ぶことで、あなたは分析する力を身につける。その力は、一冊の本に収まる範囲をはるかに超えて物理学を応用することを可能にする。この分析の技能は学業で抜きん出るのを助けるだけでなく、どんな職業を選んだとしても、批判的に考える助けになる。

The word physics is thought to come from the Greek word phusis, meaning nature. The study of nature later came to be called natural philosophy. From ancient times through the Renaissance, natural philosophy encompassed many fields, including astronomy, biology, chemistry, mathematics, and medicine. Over the last few centuries, the growth of scientific knowledge has resulted in ever-increasing specialization and branching of natural philosophy into separate fields, with physics retaining the most basic facets. Physics, as it developed from the Renaissance to the end of the 19^th century, is called classical physics. Revolutionary discoveries starting at the beginning of the 20^th century transformed physics from classical physics to modern physics.

physics(物理学)という語は、自然を意味するギリシャ語 phusis に由来すると考えられている。自然の研究はのちに自然哲学と呼ばれるようになった。古代からルネサンスまで、自然哲学は天文学、生物学、化学、数学、医学を含む多くの領域を包み込んでいた。ここ数世紀の間に科学的知識が増大した結果、自然哲学はますます専門分化して別々の分野へと枝分かれし、物理学はそのうち最も基礎的な部分を保持することになった。ルネサンスから19世紀の終わりにかけて発展した物理学を、古典物理学と呼ぶ。20世紀初頭に始まる革命的な発見の数々が、物理学を古典物理学から現代物理学へと変えた。

Classical physics is not an exact description of the universe, but it is an excellent approximation under the following conditions: (1) matter must be moving at speeds less than about 1 percent of the speed of light, (2) the objects dealt with must be large enough to be seen with the naked eye, and (3) only weak gravity, such as that generated by Earth, can be involved. Very small objects, such as atoms and molecules, cannot be adequately explained by classical physics. These three conditions apply to almost all of everyday experience. As a result, most aspects of classical physics should make sense on an intuitive level.

古典物理学は宇宙の厳密な記述ではないが、次の条件のもとでは極めて良い近似になる。(1)物質が光速の約1パーセント未満の速さで動いていること、(2)扱う対象が肉眼で見える程度に大きいこと、(3)関わる重力が、地球が生む程度の弱いものに限られること。原子や分子のようなごく小さな対象は、古典物理学では十分に説明できない。この三条件は、日常経験のほとんどすべてに当てはまる。だからこそ古典物理学の大半は、直感のレベルで腑に落ちるはずである。

Many laws of classical physics have been modified during the 20^th century, resulting in revolutionary changes in technology, society, and our view of the universe. As a result, many aspects of modern physics, which occur outside of the range of our everyday experience, may seem bizarre or unbelievable. So why is most of this textbook devoted to classical physics? There are two main reasons. The first is that knowledge of classical physics is necessary to understand modern physics. The second reason is that classical physics still gives an accurate description of the universe under a wide range of everyday circumstances.

古典物理学の多くの法則は20世紀のあいだに修正され、その結果、技術に、社会に、そして宇宙観に革命的な変化が起きた。そのため現代物理学の多くの側面は、日常経験の範囲の外で起こるものであるがゆえに、奇妙で信じがたく見えるかもしれない。ではなぜ、この教科書の大部分は古典物理学に割かれているのか。理由は二つある。第一に、現代物理学を理解するには古典物理学の知識が要るからである。第二に、古典物理学は今なお、日常のきわめて広い範囲の状況について、宇宙の正確な記述を与えるからである。

Modern physics includes two revolutionary theories: relativity and quantum mechanics. These theories deal with the very fast and the very small, respectively. The theory of relativity was developed by Albert Einstein in 1905. By examining how two observers moving relative to each other would see the same phenomena, Einstein devised radical new ideas about time and space. He came to the startling conclusion that the measured length of an object travelling at high speeds (greater than about one percent of the speed of light) is shorter than the same object measured at rest. Perhaps even more bizarre is the idea that the time for the same process to occur is different depending on the motion of the observer. Time passes more slowly for an object travelling at high speeds. A trip to the nearest star system, Alpha Centauri, might take an astronaut 4.5 Earth years if the ship travels near the speed of light. However, because time is slowed at higher speeds, the astronaut would age only 0.5 years during the trip. Einstein’s ideas of relativity were accepted after they were confirmed by numerous experiments.

現代物理学には、二つの革命的な理論が含まれる。相対性理論と量子力学である。この二つはそれぞれ、きわめて速いものと、きわめて小さいものを扱う。相対性理論は1905年にアルベルト・アインシュタインによって作られた。互いに相対運動している二人の観測者が同じ現象をどう見るかを検討することで、アインシュタインは時間と空間について根底から新しい考えを編み出した。彼が到達したのは、高速(光速の約1パーセントを超える速さ)で運動する物体の測定された長さは、同じ物体を静止させて測った長さより短い、という驚くべき結論だった。おそらくそれ以上に奇妙なのは、同じ過程が起こるのにかかる時間が、観測者の運動によって違ってくるという考えである。高速で運動する物体では、時間の進みが遅くなる。最も近い恒星系ケンタウルス座アルファ星への旅は、船が光速近くで進むなら宇宙飛行士にとって地球時間で4.5年かかる。しかし高速では時間が遅れるので、飛行士自身はこの旅のあいだに0.5年しか歳をとらない。アインシュタインの相対性の考えは、数多くの実験によって確かめられたのち、受け入れられた。

Gravity, the force that holds us to Earth, can also affect time and space. For example, time passes more slowly on Earth’s surface than for objects farther from the surface, such as a satellite in orbit. The very accurate clocks on global positioning satellites have to correct for this. They slowly keep getting ahead of clocks at Earth’s surface. This is called time dilation, and it occurs because gravity, in essence, slows down time.

我々を地球につなぎとめている力である重力もまた、時間と空間に影響する。たとえば時間は、地球表面では、軌道上の人工衛星のように地表から離れた物体に比べて、ゆっくり進む。全地球測位衛星に積まれた非常に精密な時計は、この分を補正しなければならない。放っておくと、それらの時計は地表の時計より少しずつ進んでいってしまう。これを時間の遅れ(時間の遅延)と呼び、重力が本質的に時間の進みを遅くすることによって起こる。

Large objects, like Earth, have strong enough gravity to distort space. To visualize this idea, think about a bowling ball placed on a trampoline. The bowling ball depresses or curves the surface of the trampoline. If you rolled a marble across the trampoline, it would follow the surface of the trampoline, roll into the depression caused by the bowling ball, and hit the ball. Similarly, the Earth curves space around it in the shape of a funnel. These curves in space due to the Earth cause objects to be attracted to Earth (i.e., gravity).

地球のような大きな物体は、空間をゆがめるほど強い重力を持つ。この考えを思い描くために、トランポリンの上に置かれたボウリングの球を想像してほしい。球はトランポリンの面を沈ませ、曲げる。そこにビー玉を転がせば、ビー玉はトランポリンの面に沿って進み、球が作ったくぼみに転がり込んで、球にぶつかる。同じように地球も、周囲の空間を漏斗のような形に曲げている。地球によるこの空間の曲がりが、物体を地球へと引き寄せる原因、すなわち重力である。

Because of the way gravity affects space and time, Einstein stated that gravity affects the space-time continuum, as illustrated in Figure 1.4. This is why time proceeds more slowly at Earth’s surface than in orbit. In black holes, whose gravity is hundreds of times that of Earth, time passes so slowly that it would appear to a far-away observer to have stopped!

重力が空間と時間に及ぼすこうした働きゆえに、アインシュタインは、重力は時空連続体に影響すると述べた。図1.4に示したとおりである。地表で軌道上より時間がゆっくり進むのはこのためである。地球の数百倍の重力を持つブラックホールでは、時間の進みがあまりに遅く、遠く離れた観測者には止まっているように見えるほどである。

In summary, relativity says that in describing the universe, it is important to realize that time, space and speed are not absolute. Instead, they can appear different to different observers. Einstein’s ability to reason out relativity is even more amazing because we cannot see the effects of relativity in our everyday lives.

まとめると、相対性理論が言うのは、宇宙を記述するにあたっては、時間も空間も速さも絶対的なものではないと理解することが重要だ、ということである。それらは観測者が違えば違って見えうる。相対性を推論だけで導き出したアインシュタインの能力がなおさら驚異的なのは、我々が日常生活の中で相対性の効果を目にすることができないからである。

Quantum mechanics is the second major theory of modern physics. Quantum mechanics deals with the very small, namely, the subatomic particles that make up atoms. Atoms (Figure 1.5) are the smallest units of elements.However, atoms themselves are constructed of even smaller subatomic particles, such as protons, neutrons and electrons. Quantum mechanics strives to describe the properties and behavior of these and other subatomic particles. Often, these particles do not behave in the ways expected by classical physics.

量子力学は、現代物理学の二本目の柱となる理論である。量子力学が扱うのはきわめて小さいもの、すなわち原子を構成する素粒子である。原子(図1.5)は元素の最小単位である。しかし原子そのものも、陽子、中性子、電子といった、さらに小さな素粒子から組み立てられている。量子力学は、これらをはじめとする素粒子の性質と振る舞いを記述しようとする。これらの粒子はしばしば、古典物理学が予想するようには振る舞わない。

At particle colliders (Figure 1.6), such as the Large Hadron Collider on the France-Swiss border, particle physicists can make subatomic particles travel at very high speeds within a 27 kilometers (17 miles) long superconducting tunnel. They can then study the properties of the particles at high speeds, as well as collide them with each other to see how they exchange energy. This has led to many intriguing discoveries such as the Higgs-Boson particle, which gives matter the property of mass, and antimatter, which causes a huge energy release when it comes in contact with matter.

フランスとスイスの国境にある大型ハドロン衝突型加速器のような粒子加速器(図1.6)では、素粒子物理学者は、全長27キロメートル(17マイル)の超伝導トンネルの中で素粒子を極めて高速で走らせることができる。そうして高速状態での粒子の性質を調べたり、粒子どうしを衝突させてエネルギーのやりとりのしかたを見たりできる。ここから多くの興味深い発見が生まれた。物質に質量という性質を与えるヒッグス粒子や、物質と接触したときに莫大なエネルギーを放出する反物質などである。

Physicists are currently trying to unify the two theories of modern physics, relativity and quantum mechanics, into a single, comprehensive theory called relativistic quantum mechanics. Relating the behavior of subatomic particles to gravity, time, and space will allow us to explain how the universe works in a much more comprehensive way.

物理学者たちは今、現代物理学の二つの理論、すなわち相対性理論と量子力学を、相対論的量子力学と呼ばれる単一の包括的な理論へと統一しようと試みている。素粒子の振る舞いを重力・時間・空間と結びつけることができれば、宇宙の仕組みをはるかに包括的に説明できるようになる。

You need not be a scientist to use physics. On the contrary, knowledge of physics is useful in everyday situations as well as in nonscientific professions. For example, physics can help you understand why you shouldn’t put metal in the microwave (Figure 1.7), why a black car radiator helps remove heat in a car engine, and why a white roof helps keep the inside of a house cool. The operation of a car’s ignition system, as well as the transmission of electrical signals through our nervous system, are much easier to understand when you think about them in terms of the basic physics of electricity.

物理学を使うのに科学者である必要はない。それどころか物理学の知識は、日常の場面でも、科学と無関係な職業でも役に立つ。たとえば物理学は、電子レンジに金属を入れてはいけない理由(図1.7)、黒いラジエーターが車のエンジンの熱を逃がすのに役立つ理由、白い屋根が家の中を涼しく保つのに役立つ理由を理解させてくれる。車の点火装置の働きも、神経系を伝わる電気信号の伝達も、電気の基本的な物理として考えれば、ずっと理解しやすくなる。

Physics is the foundation of many important scientific disciplines. For example, chemistry deals with the interactions of atoms and molecules. Not surprisingly, chemistry is rooted in atomic and molecular physics. Most branches of engineering are also applied physics. In architecture, physics is at the heart of determining structural stability, acoustics, heating, lighting, and cooling for buildings. Parts of geology, the study of nonliving parts of Earth, rely heavily on physics; including radioactive dating, earthquake analysis, and heat transfer across Earth’s surface. Indeed, some disciplines, such as biophysics and geophysics, are hybrids of physics and other disciplines.

物理学は、多くの重要な科学分野の土台である。たとえば化学は原子と分子の相互作用を扱う。当然ながら化学は、原子物理学と分子物理学に根を下ろしている。工学のほとんどの分野もまた応用物理学である。建築では、建物の構造安定性、音響、暖房、照明、冷房を決めるところに物理学の核心がある。地球の生命を持たない部分を扱う地質学の一部は、物理学に大きく依存している。放射年代測定、地震の解析、地表を横切る熱の移動などがそうだ。実際、生物物理学や地球物理学のように、物理学と他分野の混成として成り立っている学問もある。

Physics also describes the chemical processes that power the human body. Physics is involved in medical diagnostics, such as x-rays, magnetic resonance imaging (MRI), and ultrasonic blood flow measurements (Figure 1.8). Physics also has many applications in biology, the study of life. For example, physics describes how cells can protect themselves using their cell walls and cell membranes (Figure 1.9). Medical therapy sometimes directly involves physics, such as in using X-rays to diagnose health conditions. Physics can also explain what we perceive with our senses, such as how the ears detect sound or the eye detects color.

物理学はまた、人体を動かす化学過程も記述する。X線撮影、磁気共鳴画像法(MRI)、超音波による血流測定(図1.8)といった医療診断にも物理学が関わっている。生命を扱う学問である生物学にも、物理学の応用は多い。たとえば物理学は、細胞が細胞壁や細胞膜を使ってどのように自らを守っているかを記述する(図1.9)。X線を使って健康状態を診断するように、医療そのものが直接に物理学を用いることもある。耳がどうやって音を捉えるのか、目がどうやって色を捉えるのかといった、感覚でとらえるものの説明も物理学にはできる。

The Physics of Landing on a Comet On November 12, 2014, the European Space Agency’s Rosetta spacecraft (shown in Figure 1.10) became the first ever to reach and orbit a comet. Shortly after, Rosetta’s rover, Philae, landed on the comet, representing the first time humans have ever landed a space probe on a comet.

彗星に着陸する物理学 2014年11月12日、欧州宇宙機関の探査機ロゼッタ(図1.10)が、史上初めて彗星に到達し、その周回軌道に入った。その直後、ロゼッタの着陸機フィラエが彗星に着陸した。人類が探査機を彗星に着陸させたのは、これが初めてである。

After traveling 6.4 billion kilometers starting from its launch on Earth, Rosetta landed on the comet 67P/Churyumov- Gerasimenko, which is only 4 kilometers wide. Physics was needed to successfully plot the course to reach such a small, distant, and rapidly moving target. Rosetta’s path to the comet was not straight forward. The probe first had to travel to Mars so that Mars’s gravity could accelerate it and divert it in the exact direction of the comet.

地球からの打ち上げを起点に64億キロメートルを旅した末、ロゼッタは幅わずか4キロメートルの彗星67P/チュリュモフ・ゲラシメンコに到達した。これほど小さく、遠く、しかも高速で動く目標に到達する航路を描くには、物理学が必要だった。ロゼッタが彗星へ至る道のりは一直線ではない。探査機はまず火星へ向かい、火星の重力によって加速され、彗星のいる方向へ正確に向きを変えてもらう必要があった。

This was not the first time humans used gravity to power our spaceships. Voyager 2, a space probe launched in 1977, used the gravity of Saturn to slingshot over to Uranus and Neptune (illustrated in Figure 1.11), providing the first pictures ever taken of these planets. Now, almost 40 years after its launch, Voyager 2 is at the very edge of our solar system and is about to enter interstellar space. Its sister ship, Voyager 1 (illustrated in Figure 1.11), which was also launched in 1977, is already there.

重力を使って宇宙船を推し進めたのは、これが初めてではない。1977年に打ち上げられた探査機ボイジャー2号は、土星の重力を使って天王星と海王星へとスイングバイした(図1.11に図示)。これによってこれらの惑星について、人類が初めて手にした写真が送られてきた。打ち上げからおよそ40年たった今、ボイジャー2号は太陽系のいちばん端にあり、恒星間空間に入ろうとしている。同じ1977年に打ち上げられた姉妹機ボイジャー1号(図1.11に図示)は、すでにそこへ到達している。

To listen to the sounds of interstellar space or see images that have been transmitted back from the Voyager I or to learn more about the Voyager mission, visit the Voyager’s Mission website (https://openstax.org/l/28voyager).

恒星間空間の音を聴いたり、ボイジャー1号から送られてきた画像を見たり、ボイジャー計画についてさらに知りたければ、ボイジャー計画のウェブサイト(https://openstax.org/l/28voyager)を訪ねるとよい。

Both Voyagers have electrical power generators based on the decay of radioisotopes. These generators have served them for almost 40 years. Rosetta, on the other hand, is solar-powered. In fact, Rosetta became the first space probe to travel beyond the asteroid belt by relying only on solar cells for power generation.

ボイジャーは2機とも、放射性同位体の崩壊を利用した発電機を積んでいる。この発電機は約40年ものあいだ機体を支えてきた。一方ロゼッタは太陽電池で動く。実のところロゼッタは、発電を太陽電池だけに頼って小惑星帯より先へ進んだ最初の探査機となった。

At 800 million kilometers from the sun, Rosetta receives sunlight that is only 4 percent as strong as on Earth. In addition, it is very cold in space. Therefore, a lot of physics went into developing Rosetta’s low-intensity low-temperature solar cells.

太陽から8億キロメートル離れた地点では、ロゼッタが受ける日射は地球上の4パーセントの強さしかない。おまけに宇宙空間は非常に冷たい。そのためロゼッタの低照度・低温用の太陽電池の開発には、多くの物理が注ぎ込まれた。

In this sense, the Rosetta project nicely shows the huge range of topics encompassed by physics: from modeling the movement of gigantic planets over huge distances within our solar systems, to learning how to generate electric power from low-intensity light. Physics is, by far, the broadest field of science.

その意味でロゼッタ計画は、物理学が包み込む主題の広さをよく示している。太陽系の中を巨大な惑星が長大な距離にわたって動くさまをモデル化することから、弱い光から電力を取り出す方法を編み出すことまでが、同じ物理学の中にある。物理学は、科学のどの分野よりも広い。

In summary, physics studies many of the most basic aspects of science. A knowledge of physics is, therefore, necessary to understand all other sciences. This is because physics explains the most basic ways in which our universe works. However, it is not necessary to formally study all applications of physics. A knowledge of the basic laws of physics will be most useful to you, so that you can use them to solve some everyday problems. In this way, the study of physics can improve your problem-solving skills.

まとめると、物理学は科学の中でも最も基本的な事柄の多くを研究する学問である。したがって物理学の知識は、他のあらゆる科学を理解するのに欠かせない。物理学が、この宇宙の最も基本的な働き方を説明するからである。とはいえ、物理学の応用をすべて正式に学ぶ必要はない。あなたにとって最も役に立つのは物理の基本法則の知識であり、それを使って日常の問題のいくつかを解くことができる。この意味で、物理学を学ぶことは問題を解く力を伸ばす。