第1章単位と測定
1.1 The Scope and Scale of Physics1.1 物理学の範囲と尺度
Learning Objectives学習目標
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By the end of this section, you will be able to:
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この節を学び終えると、次のことができるようになる。
- Describe the scope of physics.
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物理学が扱う範囲を説明する。 - Calculate the order of magnitude of a quantity.
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ある量の桁の大きさを計算する。 - Compare measurable length, mass, and timescales quantitatively.
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測定可能な長さ・質量・時間の尺度を、定量的に比較する。 - Describe the relationships among models, theories, and laws.
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モデル・理論・法則の関係を説明する。
Physics is devoted to the understanding of all natural phenomena. In physics, we try to understand physical phenomena at all scales—from the world of subatomic particles to the entire universe. Despite the breadth of the subject, the various subfields of physics share a common core. The same basic training in physics will prepare you to work in any area of physics and the related areas of science and engineering. In this section, we investigate the scope of physics; the scales of length, mass, and time over which the laws of physics have been shown to be applicable; and the process by which science in general, and physics in particular, operates.
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物理学は、あらゆる自然現象を理解することに取り組む学問である。物理学では、原子より小さな粒子の世界から宇宙全体まで、あらゆる尺度で物理現象を理解しようとする。扱う対象は広いが、物理学のさまざまな分野には共通の中核がある。同じ物理学の基礎訓練を受ければ、物理学のどの分野でも、また関連する科学や工学の分野でも活動するための準備が整う。この節では、物理学が扱う範囲、物理法則が適用できると確かめられてきた長さ・質量・時間の尺度、そして科学一般、とりわけ物理学が進められる過程を調べる。
The Scope of Physics物理学が扱う範囲
Take another look at the chapter-opening image. The Whirlpool Galaxy contains billions of individual stars as well as huge clouds of gas and dust. Its companion galaxy is also visible to the right. This pair of galaxies lies a staggering billion trillion miles from our own galaxy (which is called the Milky Way). The stars and planets that make up the Whirlpool Galaxy might seem to be the furthest thing from most people’s everyday lives, but the Whirlpool is a great starting point to think about the forces that hold the universe together. The forces that cause the Whirlpool Galaxy to act as it does are thought to be the same forces we contend with here on Earth, whether we are planning to send a rocket into space or simply planning to raise the walls for a new home. The gravity that causes the stars of the Whirlpool Galaxy to rotate and revolve is thought to be the same as what causes water to flow over hydroelectric dams here on Earth. When you look up at the stars, realize the forces out there are the same as the ones here on Earth. Through a study of physics, you may gain a greater understanding of the interconnectedness of everything we can see and know in this universe.
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章の冒頭の画像をもう一度見てみよう。子持ち銀河には数十億個の恒星と、ガスや塵の巨大な雲が含まれている。右側には伴銀河も見える。この二つの銀河は、私たちの銀河(天の川銀河と呼ばれる)から、驚くべきことに10億×1兆マイルも離れている。子持ち銀河を構成する恒星や惑星は、たいていの人の日常生活と最も縁遠いものに思えるかもしれない。しかし、子持ち銀河は宇宙を一つにまとめている力について考える格好の出発点である。子持ち銀河を現在のように振る舞わせている力は、ここ地球上で私たちが相手にする力と同じだと考えられている。宇宙へロケットを送り出そうとしている場合も、単に新居の壁を建てようとしている場合も同じである。子持ち銀河の恒星を自転・公転させる重力は、ここ地球上で水力発電用のダムから水を流れ落ちさせるものと同じだと考えられている。星を見上げるとき、遠くに働く力も、ここ地球上に働く力と同じだと理解してほしい。物理学を学ぶことで、この宇宙で私たちが見ることや知ることのできるすべてのものの相互のつながりを、より深く理解できるだろう。
Humans have created and manufactured millions of different objects. Successive technological periods (often referred to as the Stone Age, the Bronze Age, the Iron Age, and so on) are marked by knowledge of the physical properties of certain materials and the ability to manipulate them. This knowledge all stems from physics, whether it's the way a rock would flake when constructing a spear point, the effect of integrating carbon with iron in South Indian and Sri Lankan furnaces to create the earliest high-quality steel, or the proper way to combine perfectly ground and polished pieces of glass to create optical instruments. Our current technological age, the Information Age, can be traced to critical innovations made by people from all backgrounds working together. Mohamed M. Atalla and Dawon Kahng, for example, invented the MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). Although unknown to most people, this tiny device, created in 1959 by an Egyptian-born scientist and a Korean-born scientist working in a lab in New Jersey (U.S.), is the basis for modern electronics. More MOSFETs have been produced than any other object in human history. They are used in computers, smartphones, microwave ovens, automotive controls, medical instruments, and nearly every other electronic device.
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人間は何百万種類もの物を創造し、製造してきた。石器時代、青銅器時代、鉄器時代などと呼ばれる、技術の発達による一連の時代は、特定の材料の物理的性質に関する知識と、それを加工する能力によって特徴づけられる。この知識はすべて物理学に由来する。槍先を作るときに石がどのようにはがれるかということも、南インドやスリランカの炉で鉄に炭素を加え、初期の高品質な鋼を作る際の効果も、精密に研磨したガラス片を適切に組み合わせて光学機器を作る方法もそうである。現在の技術の時代である情報時代は、さまざまな背景を持つ人々が協力して生み出した重要な革新にまでさかのぼることができる。例えば、モハメド・M・アタラとダウォン・カーンは、MOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)を発明した。1959年に米国ニュージャージー州の研究所で働くエジプト生まれの科学者と韓国生まれの科学者が作ったこの小さな装置は、ほとんどの人には知られていないものの、現代の電子工学の基盤である。MOSFETは、人類史上のほかのどんな物体よりも多く生産されている。コンピューター、スマートフォン、電子レンジ、自動車の制御装置、医療機器、そしてほとんどすべての電子機器で使われている。
Next, think about the most exciting modern technologies that you have heard about in the news, such as trains that levitate above tracks, “invisibility cloaks” that bend light around them, and microscopic robots that fight cancer cells in our bodies. All these groundbreaking advances, commonplace or unbelievable, rely on the principles of physics. Aside from playing a significant role in technology, professionals such as engineers, pilots, physicians, physical therapists, electricians, and computer programmers apply physics concepts in their daily work. For example, a pilot must understand how wind forces affect a flight path; a physical therapist must understand how the muscles in the body experience forces as they move and bend. As you will learn in this text, the principles of physics are propelling new, exciting technologies, and these principles are applied in a wide range of careers.
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次に、ニュースで耳にした、特に興味を引く現代の技術を考えてみよう。線路の上に浮く列車、周囲の光を曲げる「透明マント」、体内のがん細胞と闘う微小なロボットなどである。こうした画期的な進歩は、ありふれたものでも信じがたいものでも、すべて物理学の原理に依存している。物理学は技術の中で重要な役割を果たすだけでなく、技術者、パイロット、医師、理学療法士、電気工事士、コンピュータープログラマーなどの専門職も、日々の仕事に物理学の概念を応用している。例えば、パイロットは風の力が飛行経路にどう影響するかを理解しなければならない。理学療法士は、体内の筋肉が動いたり曲がったりするときにどのような力を受けるかを理解しなければならない。この教科書で学ぶように、物理学の原理は新しく魅力的な技術を推し進めており、幅広い職業に応用されている。
The underlying order of nature makes science in general, and physics in particular, interesting and enjoyable to study. For example, what do a bag of chips and a car battery have in common? Both contain energy that can be converted to other forms. The law of conservation of energy (which says that energy can change form but is never lost) ties together such topics as food calories, batteries, heat, light, and watch springs. Understanding this law makes it easier to learn about the various forms energy takes and how they relate to one another. Apparently unrelated topics are connected through broadly applicable physical laws, permitting an understanding beyond just the memorization of lists of facts.
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自然の根底にある秩序のおかげで、科学一般、とりわけ物理学は、学ぶと興味深く楽しいものになる。例えば、ポテトチップスの袋と自動車のバッテリーには、何か共通点があるだろうか。どちらも、ほかの形態へ変換できるエネルギーを含んでいる。エネルギー保存の法則は、エネルギーが形態を変えることはあっても、失われることは決してないという法則であり、食品のカロリー、電池、熱、光、時計のぜんまいなどの話題を結びつける。この法則を理解すると、エネルギーがとるさまざまな形態と、それらが互いにどう関係するかを学びやすくなる。一見無関係な話題が広く適用できる物理法則を通じてつながり、事実の一覧をただ暗記するだけでは得られない理解が可能になる。
Science consists of theories and laws that are the general truths of nature, as well as the body of knowledge they encompass. Scientists are continuously trying to expand this body of knowledge and to perfect the expression of the laws that describe it. Physics, which comes from the Greek phúsis, meaning “nature,” is concerned with describing the interactions of energy, matter, space, and time to uncover the fundamental mechanisms that underlie every phenomenon. This concern for describing the basic phenomena in nature essentially defines the scope of physics.
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科学は、自然の一般的な真理である理論や法則と、それらが包含する知識の体系から成る。科学者は常に、この知識の体系を拡張し、それを記述する法則の表現をより完全なものにしようとしている。物理学を意味するphysicsは、「自然」を意味するギリシャ語phúsisに由来する。物理学は、エネルギー・物質・空間・時間の相互作用を記述し、あらゆる現象の根底にある基本的な仕組みを解き明かすことに取り組む。自然界の基本的な現象を記述しようとするこの関心が、本質的に物理学の範囲を定めている。
Physics aims to understand the world around us at the most basic level. It emphasizes the use of a small number of quantitative laws to do this, which can be useful to other fields pushing the performance boundaries of existing technologies. Consider a smartphone (Figure 1.2). Physics describes how electricity interacts with the various circuits inside the device. This knowledge helps engineers select the appropriate materials and circuit layout when building a smartphone. Knowledge of the physics underlying these devices is required to shrink their size or increase their processing speed. Or, think about 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. GPS relies on precise calculations that account for variations in the Earth's landscapes, the exact distance between orbiting satellites, and even the effect of a complex occurrence of time dilation. Most of these calculations are founded on algorithms developed by Gladys West, a mathematician and computer scientist who programmed the first computers capable of highly accurate remote sensing and positioning. When you use a GPS device, it utilizes these algorithms to recognize where you are and how your position relates to other objects on Earth.
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物理学は、身の回りの世界を最も基本的な水準で理解することを目指す。そのために、少数の定量的な法則を用いることを重視する。この方法は、既存技術の性能の限界を押し広げようとするほかの分野にも役立つ。スマートフォンを考えてみよう(図1.2)。物理学は、装置内のさまざまな回路と電気がどのように相互作用するかを記述する。この知識は、技術者がスマートフォンを作る際に適切な材料や回路配置を選ぶのに役立つ。装置を小型化したり処理速度を上げたりするには、その根底にある物理学の知識が必要である。あるいは、GPSを考えてみよう。物理学は、物体の速さ、移動する距離、その距離を移動するのに要する時間の関係を記述する。GPSは、地球の地形の変化、公転する衛星間の正確な距離、さらには複雑な時間の遅れという現象の効果まで考慮した精密な計算に依存している。こうした計算の多くは、数学者・計算機科学者グラディス・ウェストが開発したアルゴリズムに基づいている。彼女は、高精度のリモートセンシングと測位を可能にした最初のコンピューター群をプログラムした。GPS装置を使うと、装置はこれらのアルゴリズムを利用し、現在地と、その位置が地球上のほかの物体とどう関係するかを認識する。
Image omitted because its reuse rights could not be verified.権利の確認ができないため画像を割愛。
Figure 1.2図 1.2
The Apple iPhone is a common smartphone with a GPS function. Physics describes the way that electricity flows through the circuits of this device. Engineers use their knowledge of physics to construct an iPhone with features that consumers will enjoy. One specific feature of an iPhone is the GPS function. A GPS uses physics equations to determine the drive time between two locations on a map. (credit: Jane Whitney)
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AppleのiPhoneは、GPS機能を持つ一般的なスマートフォンである。物理学は、この装置の回路を電気がどのように流れるかを記述する。技術者は物理学の知識を使い、消費者が楽しめる機能を持つiPhoneを作る。iPhoneの具体的な機能の一つがGPSである。GPSは物理学の方程式を使い、地図上の二つの地点の間を車で移動するのにかかる時間を求める。(出典:Jane Whitney)
Knowledge of physics is useful in everyday situations as well as in nonscientific professions. It can help you understand how microwave ovens work, why metals should not be put into them, and why they might affect pacemakers. Physics allows you to understand the hazards of radiation and to evaluate these hazards rationally and more easily. Physics also explains the reason why a black car radiator helps remove heat in a car engine, and it explains why a white roof helps keep the inside of a house cool. Similarly, the operation of a car’s ignition system as well as the transmission of electrical signals throughout our body’s nervous system are much easier to understand when you think about them in terms of basic physics.
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物理学の知識は、科学とは関係のない職業でも、日常の場面でも役立つ。電子レンジがどう動くのか、なぜ金属を入れてはいけないのか、なぜペースメーカーに影響を及ぼすことがあるのかを理解する助けになる。物理学を学ぶと放射線の危険性を理解でき、それを理性的に、より容易に評価できる。物理学はまた、黒い自動車のラジエーターがエンジンの熱を取り除くのに役立つ理由や、白い屋根が家の内部を涼しく保つのに役立つ理由も説明する。同様に、自動車の点火装置の働きも、私たちの体の神経系全体を通じた電気信号の伝達も、基本的な物理学の観点から考えると、はるかに理解しやすくなる。
Physics is a key element of many important disciplines and contributes directly to others. Chemistry, for example—since it deals with the interactions of atoms and molecules—has close ties to atomic and molecular physics. Most branches of engineering are concerned with designing new technologies, processes, or structures within the constraints set by the laws of physics. In architecture, physics is at the heart of structural stability and is involved in the acoustics, heating, lighting, and cooling of buildings. Parts of geology rely heavily on physics, such as radioactive dating of rocks, earthquake analysis, and heat transfer within Earth. Some disciplines, such as biophysics and geophysics, are hybrids of physics and other disciplines.
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物理学は、多くの重要な学問の中核的な要素であり、ほかの学問にも直接貢献している。例えば化学は、原子と分子の相互作用を扱うため、原子物理学や分子物理学と密接に関係している。工学のほとんどの分野は、物理法則が定める制約の範囲内で、新しい技術、工程、構造物を設計することに取り組んでいる。建築では、物理学は構造の安定性の中心にあり、建物の音響、暖房、照明、冷房にも関わる。地質学の一部、例えば岩石の放射年代測定、地震解析、地球内部の熱移動などは、物理学に大きく依存している。生物物理学や地球物理学など、物理学とほかの学問を組み合わせた分野もある。
Physics has many applications in the biological sciences. On the microscopic level, it helps describe the properties of cells and their environments. On the macroscopic level, it explains the heat, work, and power associated with the human body and its various organ systems. Physics is involved in medical diagnostics, such as radiographs, magnetic resonance imaging, and ultrasonic blood flow measurements. Medical therapy sometimes involves physics directly; for example, cancer radiotherapy uses ionizing radiation. Physics also explains sensory phenomena, such as how musical instruments make sound, how the eye detects color, and how lasers transmit information.
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物理学には、生物科学における多くの応用がある。微視的な水準では、細胞とその環境の性質を記述する助けになる。巨視的な水準では、人体とそのさまざまな器官系に関係する熱、仕事、仕事率を説明する。物理学は、X線写真、磁気共鳴画像法、超音波による血流測定などの医学的診断に関わる。治療に物理学が直接関わる場合もある。例えば、がんの放射線治療では電離放射線を使う。物理学はまた、楽器がどのように音を出すか、目がどのように色を感知するか、レーザーがどのように情報を伝えるかといった、感覚に関する現象も説明する。
It is not necessary to study all applications of physics formally. What is most useful is knowing the basic laws of physics and developing skills in the analytical methods for applying them. The study of physics also can improve your problem-solving skills. Furthermore, physics retains the most basic aspects of science, so it is used by all the sciences, and the study of physics makes other sciences easier to understand.
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物理学のあらゆる応用を、正式に学ぶ必要はない。最も役立つのは、物理学の基本法則を知り、それを応用するための解析的な方法を使う技能を身につけることである。物理学を学ぶと、問題を解く能力も向上する。さらに、物理学は科学の最も基本的な側面を保持しているため、すべての科学で使われており、物理学を学ぶことで、ほかの科学も理解しやすくなる。