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大学での物理の勉強法、物理学の教科書の読み方、おすすめの標準的な教科書と演習書

高大接続は高等教育（大学での教育）における重要事項です。高校の勉強と大学の勉強とでは、科目名が同じでも内容や学び方に大きな違いがあります。大学の講義の進度は非常に速いので、自学自習をしない限りついていくことは難しいでしょう。その際に、どんな教科書でどんなふうに勉強すればいいのでしょうか。数学に関しては以前書いたので、

関連記事 ⇒ 数学の教科書・数学書の読み方、大学の数学の勉強法

今度は物理について考えてみたいと思います。自分が学生だった頃は、学生が初めて学ぶことを意識して書かれた数学や物理の教科書がほとんどなかったように思います。大学の先生が、自分の講義録をまとめて出版したようなものばかりでした。その際、ページ数に限りがあるせいか、あるいは、無駄をそぎ落として理論的な構築の美しさを追求したせいたか、初学者がつまづきそうなポイントをとくに先回りして解説してくれるような親切な本は見当たりませんでした。

大きな本屋さんに行って、外国の大学の先生が書いた教科書の邦訳書を見てみたら、非常に親切な口調で書かれているものが多くて、国産の教科書のわかりにくさと欧米の教科書のわかりやすさとの違いに愕然としたものです。時代が変わり、最近では学生思いの、何がなんでも理解させようという熱意が溢れた教科書が増えてきたように思います。しかしそのような教科書であっても、「行間」が全くない本というのは存在しないでしょう。読者の予備知識の量に差がある以上、それは仕方がありません。

大学の講義は、講義時間が90分だとしたら、予習に90分、復習に90分、合計270分もの時間、学生が勉強することが前提として組まれているのだそうです。講義をただ聴いているだけで物理の新しい概念を習得することはできません。大学生は自宅でどうやって物理を学習すればいいのでしょうか。教科書を書いた人間にとっては常識的なことだけれども、読者である大学生にしてみれば「そんなの、聞いてないよ」という、暗黙の了解となっている事柄を紹介したいと思います。

 

大学の教科書がどう書かれているかを知る

行間の存在を知る

読んでいるだけでは式変形を追うことができないものも非常に多いです。非常に難解な変形でも省略されることが多いからです。このせいで、行の間の式変形、行間と呼ばれるものが生まれます。これも専門書を分かりにくくする原因の一つです。（理系大学生なら身につけたい専門書を読むときの３つのポイント　Interesting Study Method）＊太字強調は当サイト

”自明である”という表現は、簡単だとか些細な事柄であるいう意味よりは、（勿論そのままの意味で使われることもありますが）「書くのが面倒なのでサボる」とかいった意味に使われていることが多いように思います。”よく知られている”とか”示すことができる”とかも同様です。（Book Guide: IndexMasahito Yamazaki, a physicist/mathematician）＊太字強調は当サイト

自分が知る限り、行間がない唯一の参考書・問題集は、マセマのシリーズだと思います。高校で数学や物理を学んだ人なら高校までの勉強と同じノリで大学の勉強ができる稀有な教科書でしょう。

  1. マセマ出版社（https://www.mathema.jp/）”東大生が一番読んでいる参考書”　”日本で高大一貫教育はマセマだけ!?”

マセマ出版社は、キャッチフレーズでアピールしている通り、実際に高大接続を本気で実現させていると自分は思います。マセマは自分も何冊か持っていますが、何しろ大学で学ぶ内容が、高校生向けの大学受験参考書のようなノリで説明されているので、自分に理解できないはずはないという安心感を持って読み進めることができます。大学の”普通”の教科書で挫折し脱落する人は、マセマに助けてもらったほうがいいと思います。行間を自分で埋める作業の実際がわかってから”通常の”教科書に取り組んだほうが、挫折を避けられます。

 

目で読まない

数式を目で追ってはいけない　数式は、かならず手で追う、つまり自分の手で納得ゆくまで実際に計算する（はじめに　山本義隆　新・物理入門　駿台文庫）

 

自分に合った教科書を選ぶ

教科書を選ぶ際には、自分の理解力や実力にあっているかどうかを見極める必要があります。その教科書の著者はどこの誰を読者対象として想定しているのか、それに自分がマッチしているのか。

解らない人がそれで勉強して解るようになるために教科書が在るはずなのに、解らない人が読むと解らず、解る人が読むと解る、そんな教科書に存在意義があるのでしょうか。実は、初めて読んで解る教科書って僅かですがあるんですよ。それは、そこに書いてあることを見つけたその本人が書いた教科書です。（教科書の読み方 2013-05-28 00:25:31　texas-no-kumagusuのブログ）＊太字強調は当サイト

 

定評のある教科書を通読する

基礎学力をつけるのにもっともよい方法は、演習問題を解くことだけでなく、しっかり書かれた教科書を通読することです。これは、大学を出てからも、新しい分野を身につける必要に迫られるたびに行うことです。（物理学科教員からの推薦図書を紹介します。東京理科大学）

 

一度でわかろうとしないこと

全体として何がやりたいのか、どういう問題を解きたいのか、そのためには何をしたらいいのか、ということ重点にして読んだ後で実際、手を動かして計算していくことが大事だと思います。そして最後は必ず、演習問題を解く。解くことによって、理解の確認にもなります。実際いろんな問題を解くことによって、よくわからなかったところでも、こういうことだったのか、とわかることがたくさんあります。（教科書（物理）の読み方 投稿者: 中央ゼミナール | 2010 年 2 月 5 日　＊太字協調は当サイト）

 

物理的意味を考える

物理学における数学は，自然現象を記述するための言語であり，全ての数式は物理の文脈で意味を持っています．数式の意味を理解しようとせずに本を読めば，なんとなく計算が出来た，と言うだけで終わってしまうでしょう．（物理学の学び方教科書の読み方　如何にして物理学を学ぶか Jul 31, 2019 • 優曇華院）

 

物理の勉強はそもそも大変だということを覚悟する

東大物理学科のYOUTUBERさんが物理の勉強の大変さを語っていました。物理を勉強するには顔中血みどろになる覚悟が必要だそうです。

東大物理学科に絶対に入った方がいい理由をお話しします。たむらかえ2　チャンネル登録者数 8.85万人

 

自学自習・復習の時間を確保する

高校までは、ひょっとしたら、落ちこぼれそうな人を救いあげようと頑張ってくれる優しい先生がいたかもしれません。大学にはそういう先生は絶対にいません。大学の講義がわからなければ、自分で家で勉強して挽回する、講義内容が本当に理解できたか問題を問いてみるということは学生本人に「暗黙の了解として」任されているのです。

演習書の問題を解く

大学の受験勉強では数学にしろ物理にしろ、ひたすら問題を解いていたことを考えると、大学の勉強で急に問題を解く量が極端に減ってしまって、そんなんで理解が深まるわけもなかったのでした。やっぱり演習問題に取り組むことが一番大事みたいです。大学にも、「講義」と「演習」の時間がありますが、この演習の時間に自分にあてられた問題だけなんとか解いてしのいでいるようでは、理解を定着させるのに全然足りないと思います。

大学受験の成功のカギが良い問題集選びだったのと同様、大学の勉強をマスターするためにも、良い問題集を選ぶ必要があります。何が良いかは、一人ひとりの学力にもよるので一概にはいえません。

ただやっかいなのは、大学の講義の進度に合わせた問題集なんてものは通常ないので、自分が受けている講義の内容と、演習書の問題とを対応させるのは、ほぼ無理でしょう。まずは大学の講義や演習で出される課題に全力を尽くして、それだけで満足せずに、自分に見合った問題集を持っておく必要があると思います。特に大学院進学を考えるのであれば、絶対に必要でしょう（＊自分の学科の院に上がるだけなら、その先生から受けた講義内容を消化していれば楽勝で解ける問題が院試に出るというのが、数十年前の自分の学科の場合には当たりまえでした。今の状況はわかりません。行きたい大学院の入試情報を集めることが大事です）。

  • 教科書でひと通り”基礎”を勉強した後は、ひたすら（コツコツ）”練習（トレーニング）”が必要
  • １つ物理法則を学んだら、必ずそれに関連した練習問題を解くという学習方法が、最も物理を理解する近道
  • 良い演習問題を毎日コツコツ解くこと、それが物理の学習のスタンダード
  • このことを実行することによって、驚くほど物理の理解が深まる

刊行の言葉 フロー式物理演習シリーズ　須藤彰三・岡真 監修 共立出版

名著・定番・標準的な大学の物理学の教科書・副読本・初学者向け教科書など

物理学全般・シリーズもの

  1. R. Shankar Fundamentals of Physics I: Mechanics, Relativity, and Thermodynamics; Fundamentals of Physics II: Electromagnetism, Optics, and Quantum Mechanics (The Open Yale Courses Series) Fundamentals of Physics II: Electromagnetism, Optics, and Quantum Mechanics (The Open Yale Courses Series)
  2. ファインマン　The Feynman Lectures on Physics
  3. バークレー物理学コース　力学　波動　実験物理　丸善
  4. Richard Courant, David Hilbert　数理物理学の方法 上　(数学クラシックス) 2013/2/1　丸善出版 (ドイツ語初版1924年)

物理数学

  1. 田崎 晴明　物理を学び楽しむために XXXX/XX/XX
  2. Mary L. Boas Mathematical Methods in the Physical Sciences 2004/2/1
  3.  George B. Arfken, Hans J. Weber, Frank E. Harris  Mathematical Methods for Physicists: A Comprehensive Guide (English Edition) 7th edition 2012/1/31
  4. 寺沢 寛一　自然科学者のための数学概論 増訂版 1983/5/18 岩波書店
  5. ‎後藤憲一　現代科学における数学概説　1981/3/1　共立出版
  6. Erwin Kreyszig Advanced Engineering Mathematics 2011/5/3

力学・解析力学

  1. ジョン・テイラー　古典力学 2019/6/11 プレアデス出版
  2. 原島 鮮　力学〔三訂版〕 1985/11/25 裳華房
  3. ゴールドスタイン（Herbert Goldstein）, John Safko, Charles Poole　古典力学〈上〉 (物理学叢書) 原著第3版 2006/7/1　吉岡書店; Classical Mechanics: Pearson New International Edition 2013/8/5
  4. エリ・ランダウ, イェ・エム・リフシッツ　力学 (増訂第3版) ランダウ=リフシッツ理論物理学教程 1986/4/1 東京図書
  5. V.I.アーノルド 古典力学の数学的方法 第10版 2003/5/28 岩波書店

熱力学

  1. 由井 宏治 見える! 使える! 化学熱力学入門 2013/8/24 オーム社
  2. 田崎 晴明　熱力学―現代的な視点から 2000/4/1 培風館
  3. エンリコ・フェルミ フェルミ熱力学 1973/3/15 三省堂

統計力学

  1. 村上 雅人　なるほど統計力学 2017/1/30 海鳴社
  2. 久保 亮五　統計力学 新装版 2003/6/23 共立出版
  3. 田崎 晴明　統計力学〈1〉統計力学〈2〉2008/12/1  培風館
  4. 久保 亮五　大学演習 熱学・統計力学〔修訂版〕1998/9/10  裳華房

電磁気学

  1. D.J. グリフィス 電磁気学 I 2019/12/11 丸善出版
  2. J.D.ジャクソン 電磁気学 上 2002/7/1  吉岡書店；John David Jackson Classical Electrodynamics 1998/8/14
  3. 高橋 秀俊 電磁気学 1959/5/25  裳華房
  4. 砂川 重信 理論電磁気学 第3版　1999/9/1 紀伊國屋書店

量子力学

  1. David J. Griffiths, Darrell F. Schroeter  Introduction to Quantum Mechanics 3rd Edition 2018/8/16
  2. R. Shankar Principles of Quantum Mechanics 2nd edition 1994/8/31
  3. ライナス・ポーリング, E. ブライト・ウィルソン 量子力学入門:化学の土台 2016/10/23 丸善出版；Linus Pauling, E.B. Wilson Introduction to Quantum Mechanics with Applications to Chemistry 1985/3/1
  4. ディラック 量子力学 原書第4版 改訂版 2017/11/8 岩波書店
  5. 朝永 振一郎 量子力学 I 第2版 1969/12/20 みすず書房
  6. シッフ 量子力学
  7. 清水 明 量子論の基礎―その本質のやさしい理解のために 2004/4/1 サイエンス社
  8. J.J. サクライ, J. ナポリターノ 現代の量子力学(上) 第2版 2014/4/10
  9. 竹内 外史 線形代数と量子力学 1981/3/30 裳華房

固体物理学

  1. キッテル(Charles Kittel) 固体物理学入門 第8版〈上〉 2005/12/1

物理化学

  1. Donald A. McQuarrie, John D. Simon　Physical Chemistry: A Molecular Approach 1997/8/20；D.A. マッカーリ , J.D. サイモン　物理化学―分子論的アプローチ〈上〉 1999/12/10 東京化学同人

 

参考

  1. 理工系学生のためのSOS冊子先輩のおすすめ参考書WEB版　名古屋大学生協Booksフロンテ
  2. 高橋先生の薦める・物理学の本！関西学院大学
  3. 谷村のおススメ本　名古屋大学

2021年ノーベル物理学賞は地球温暖化の予測モデルを提唱した真鍋淑郎博士、Klaus Hasselmann博士、および無秩序系の解析等に貢献したGiorgio Parisi博士に

2021年ノーベル物理学賞は、二酸化炭素の増加が地球温暖化をもたらすことをモデルにより予測した真鍋淑郎博士（米在住、米国籍取得）とKlaus Hasselmann博士に、また、無秩序で複雑なシステムの研究などで業績のあるGiorgio Parisi博士に贈られました。

  • Syukuro Manabe demonstrated how increased levels of carbon dioxide in the atmosphere lead to increased temperatures at the surface of the Earth.
  • Klaus Hasselmann created a model that links together weather and climate, thus answering the question of why climate models can be reliable despite weather being changeable and chaotic.
  • Giorgio Parisi discovered hidden patterns in disordered complex materials. His discoveries are among the most important contributions to the theory of complex systems. They make it possible to understand and describe many different and apparently entirely random materials and phenomena, not only in physics but also in other, very different areas, such as mathematics, biology, neuroscience and machine learning.

引用元：The Nobel Prize in Physics 2021

Scientific Background “For groundbreaking contributions to out understanding of complex physical systems” (pdf)

真鍋氏の論文業績

真鍋氏の受賞対象となった論文業績の一部（プレスリリースでの説明の中での引用）

  1. Manabe, S, M¨oller, F. 1961. On the radiative equilibrium and heat balance of the atmosphere. Mon. Wea. Rev. 89, 503–32.
  2. Manabe, S, Strickler, RF. 1964. Thermal equilibrium of the atmosphere with a convective adjustment J. Atmos. Sci. 21, 361–85.
  3. Manabe, S, Wetherald, RT. 1967. Thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity. J. Atmos. Sci. 24, 241–259.
  4. Manabe, S, Wetherald, RT. 1975. The Effects of Doubling the CO2 Concentration on the climate of a General Circulation Model. J. Atmos. Sci. 32, 3–15.

引用元：https://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/advanced-physicsprize2021.pdf

参考

  1. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/press-release/
  2. 【速報】ノーベル物理学賞に真鍋淑郎氏 10/5(火) 18:51配信 1311 この記事についてツイート この記事についてシェア TBS系（JNN）YAHOO!JAPAN　真鍋さんは1958年に東京大学大学院を修了後、アメリカ海洋大気庁（当時：気象局）の研究員となりました。1997年に帰国し、当時の科学技術庁の温暖化研究チームに着任、2001年からは再びアメリカにわたり、現在はプリンストン大学上席研究員をつとめています。真鍋さんは現在、アメリカ国籍を取得しています。
  3. ノーベル物理学賞に米プリンストン大の真鍋淑郎氏…コンピューターによる気候変動予測を創始 2021/10/05 19:04 読売新聞　真鍋氏は、１９５８年に米気象局（当時）の研究員として渡米。６７年、高速コンピューターを使い、大気の運動と気温の関係を定めるモデルを開発し、「二酸化炭素が２倍に増えると地上気温が２・３度上昇する」と世界で初めて予測した。

2020年ノーベル物理学賞はブラックホール研究者のRoger Penrose, Reinhard Genzel, Andrea Ghezの3氏に

昨日のノーベル医学生理学賞に続き、今日はノーベル物理学賞の受賞者が発表されました。2020年ノーベル物理学賞はRoger Penrose, Reinhard Genzel, Andrea Ghezの3氏に授与されます。

The Nobel Prize in Physics 2020 was divided, one half awarded to Roger Penrose “for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity“, the other half jointly to Reinhard Genzel and Andrea Ghez “for the discovery of a supermassive compact object at the centre of our galaxy.” (https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/summary/)

Announcement of the 2020 Nobel Prize in Physics

 

ロジャー・ペンローズの著書

  

 

2020年ノーベル物理学賞予想サイト

  1. 2020年ノーベル物理学賞予想 荒舩良孝 2020/10/06 00:53　量子コンピュータの基礎的な理論を提唱したデイビッド・ドイチュ博士。そして、ドイチュ博士とともに量子コンピュータの高速計算のアルゴリズムを完成させた数学者リチャード・ジョサ博士あたりになるのではないだろうか。また、近代科学の中心課題の1つとされる量子多体系を計算するための量子シミュレーター分野のイマニュエル・ブロッホ博士、ティルマン・エスリンガー博士なども有力のようだ。後は、光格子時計を開発し、時間を精密に測定することに成功した香取秀俊博士も受賞したらおもしろいと思う。…　物性物理学分野で有名な近藤効果を理論化した近藤淳博士がこのタイミングでノーベル賞を受賞するというのも、なかなかいいのではないかとも思う。
  2. 3年連続受賞なるか日本の注目候補は vdata.nikkei.com 細野 秀雄 年齢 67 東京工業大学栄誉教授 大野 英男 年齢 65 東北大学長 十倉 好紀 年齢 66 理化学研究所創発物性科学研究センター長 佐川 真人 年齢 77 大同特殊鋼顧問
  3. 物理学賞が最有力！　ノーベル賞に最も近い「日本人科学者6人」の名前 キーワードは「創薬」「物性」「実績」　マネー現代編集部　2020.10.5 期待されているのが東京大学教授の香取秀俊氏（56歳）だ。香取氏は世界で最も精密な「光格子時計」を開発した。その誤差は300億年に1秒とも言われ、現在の「1秒の長さ」の定義に使われている「セシウム原子時計」の誤差が1億年に1秒であることと比較しても、段違いな性能であることがわかるだろう。
  4. 2020年09月30日19時30分 【特集】2020年「ノーベル賞」発表目前！3年連続の日本人受賞なら急騰必至 ＜株探トップ特集＞kabutan.jp　名城大学終身教授の飯島澄男氏は「カーボンナノチューブ」を発見したことで知られノーベル賞の有力候補となっている。…　鉄系の超伝導体を発見し、超電導の世界に革命をもたらした東京工業大学栄誉教授の細野秀雄氏も注目されている。…　理化学研究所の十倉好紀・創発物性科学研究センター長が開発した新材料「マルチフェロイック物質」は、将来的に省エネメモリーにつながると予想されている。…　量子コンピューターに絡んで東京大学の古澤明教授や東京工業大学の西森秀稔特任教授なども候補とされている。
  5. 2020年のノーベル賞発表、5日から12日まで…韓国人の受賞者は出るか？　 平和賞はトランプ大統領？　＝韓国報道 10/4(日) 23:13配信 WOW!KOREA  物理学賞には、米海軍研究所の物理学者であるトーマス・キャロルとルイス・ペコラ博士、米バークレー大学のアレックス・ジェトル教授、英電算宇宙論研究所（ICC）のカルロス・フランク所長、カナダのビクトリア大学のフリオ・ナバーロ教授、ドイツのマックスプランク天体物理学研究所のサイモン・ホワイト元研究所長などが挙げられる。

参考

  1. 科学コミュニケーターと楽しむノーベル賞2020 2020年9月19日（土）〜 10月19日（月）
  2. ノーベル賞ってなんでえらいの？　NHK　チコちゃん
  3. ノーベル賞　日本科学未来館が好評だった「予想」をやめた理由とは 会員限定有料記事　毎日新聞2020年9月19日 13時00分(最終更新 9月25日 17時06分)
  4. ノーベル賞発表翌日の紙面のために新聞社が準備する多くのこと 読売新聞東京本社 編集局科学部 長谷川聖治 部長　（2014.12.5／2014年12月・2015年1月号　特集） 

 

スピンカロリトロニクス（spin caloritronics）とは

スピンカロリトロニクス（spin caloritronics）とは

Spintronics is about the coupled electron spin and charge transport in condensed-matter structures and devices. (Spin caloritronics Gerrit E. W. Bauer, Eiji Saitoh & Bart J. van Wees Nature Materials volume 11, pages391–399(2012) Published: 23 April 2012 )

内田氏が所属する東北大学の研究室は、温度差や音波を「スピン流」（スピンの流れ）に変換する技術を次々と開発してきた。スピン流に変換した後に、微小電力に変換して取り出す技術も確立している。 2008年には磁性体に温度差をつけるとスピン流が生じる「スピンゼーベック効果」を発見し、2010年に絶縁体でもスピンゼーベック効果が生じることを明らかにした。これにより「spin caloritronics」という新たな研究分野が誕生し、東北大学はNECと共同で新たな熱電変換素子の実現に取り組むことになった。(熱や音、光のエネルギーを、1つの素子で微小電力へ スピン流を使って東北大学が実現 河合 基伸 2015.01.28 日経 x TECH)

  1. 齋藤研究室

スピン・カロリトロニクスはナノ構造デバイスにおいて、電荷・スピン・熱流が結合する物理現象およびその制御に関する科学技術の研究分野である[1]。（4th International Workshop on Spin Caloritronics　PDF)

近年、スピン流を用いた新原理エネルギー変換技術が提案され、にわかに注目を集めています。その端緒となったのは、熱流によるスピン流生成現象「スピンゼーベック効果」です。スピンゼーベック効果はその名の通りスピン流版のゼーベック効果であり、この効果を用いることで熱流によるスピン流生成が可能になりました。2010年にはスピンゼーベック効果が絶縁体においても発現することが明らかになり、「絶縁体を用いた熱電変換」が初めて可能になりました。スピンゼーベック効果の発見を契機に急速に進展した熱とスピントロニクスの新しい融合研究領域は「スピンカロリトロニクス」と呼ばれており、世界中の多くの研究グループによって熱流－スピン流相関効果に関する研究が進められています。(研究背景　Spin Caloritrnics Group, CMSM, NIMS)

スキルミオンとは？

今日ウェブ上で行われた「CREST・さきがけ・ACT-X 募集説明会」を聴いていたら、新しい情報担体の例として、スキルミオンという言葉が出てきて、何それ？と思いました。

スキルミオンとは

科研費のデータベースの説明から、スキルミオンが何なのかを説明している部分を抜き出してみます。

物質（固体）に光を照射することで現れる新しい秩序状態の生成機構に関する理論研究を行う。対象とする秩序状態には、いくつかの種類を考える。まず電子的なものとして、励起子絶縁体を取り上げる。また、磁気的秩序としては、トポロジカルなスピン構造として知られるスキルミオンや、強磁性的なスピン偏極を考える。（光で誘起される電子的および磁気的秩序に関する理論的研究 19K23427）

光渦による磁気スキルミオンや音響フォノンの発生を試み、その形成および伝搬過程を明らかにする。（光渦を用いた固体の新規励起現象の探索  19K22120）

本研究では電子のもつスピン自由度に着目し、スピンの渦構造である磁気スキルミオンなどの磁気テクスチャーを時間的・空間的に分解して計測するシステムの構築と解析手法の開発を目指す。磁気スキルミオンは孤立粒子のように振る舞うため情報を運ぶ媒体として機能するが、次世代デバイスへの応用には光などの外場による磁気スキルミオンの制御が不可欠である。（コヒーレントX線パルスによる磁気テスクチャーの時空間分割計測 19K20603）

本研究では、高価な元素がなくても巨大な実空間でのベリー位相の起源になりうることが近年明らかになった「スキルミオン」と呼ばれるトポロジカルスピン構造に着目する。（トポロジカルスピン構造での実空間ベリー位相起源の高効率スピン電荷変換現象の開拓 19K14667）

キラルなスピン構造を有するスキルミオンやネール磁壁は、機械的安定性の優れた高密度な次世代磁気記録素子への応用が可能であることが提案され、注目を集めている。これらの構造は、強磁性金属層とスピン軌道相互作用をもつ非磁性金属層との界面に生じるジャロシンスキー守谷相互作用（DMI）によって安定化されている。（空間反転対称性が破れた超格子薄膜を用いた巨大ジャロシンスキー守谷相互作用の探索 19J11763）

磁気スキルミオンはナノスケールの渦状磁気構造であり、これを1ビットとした次世代磁気記録デバイスの可能性が示唆されている。スキルミオンは、反転対称性を破った結晶物質や薄膜系で続々見出されており、さらに多くの物質系でスキルミオンが形成する可能性が高まっている。（メカニカルアロイング法による新規スキルミオン物質の創製 18K04679）

言葉の説明だとなかなかわかりにくいです。下の、日本電子の解説には図があってわかりやすいです。

磁気スキルミオンは渦の形を持つ電子スピンの集合体である。渦の最も外側のスピンと渦の中心のスピンは反平行であり、その間のスピンは徐々に方向を変え、渦のように回転している。スキルミオン中のすべてのスピンが並べ替わると球面を一周覆い、トポロジカル数1を持つ安定な粒子として振る舞う。このトポロジカル性質により、ナノスケールスキルミオンは、情報担体として、次世代の高密度・低消費電力の磁気メモリ素子への応用が期待されている。（日本電子news Vol.47 No.1）

上の説明を読んだあと下の動画をみると、なんとなくイメージが湧きます。

What’s a skyrmion? | Science News 2018/02/09 Science News
 

新しい情報担体としてのスキルミオンの可能性

A terabyte on a fingernail – Skyrmions: Revolutionary Data storage! 2018/11/13 Clixoom Science & Fiction

スキルミオンという名前の由来

スキルミオンという名称は、1962 に原子核物理学者T. H. R. Skyrme氏がスキルミオン・モデルの概念を提唱したことにちなんでいます。

  • Skyrmion-Electronics: Writing, Deleting, Reading and Processing Magnetic Skyrmions Toward Spintronic Applications　https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1906/1906.04718.pdf

スキルミオンの研究

最近の論文Electric Field-Induced Creation and Directional Motion of Domain Walls and Skyrmion Bubbles Nano Lett. 2019, 19, 1, 353-361の解説動画

ｎBreakthrough in manipulation of skyrmions using electric field 2019/03/13 S.N. Piramanayagam

Talks – Topology Matters – Naoto Nagaosa, RIKEN 2017/08/08 SPICE

Talks – Topology Matters – Bertrand Dupé, JGU Mainz 2017/08/08 SPICE

スキルミオンの論文

  1. Switching of chiral magnetic skyrmions by picosecond magnetic field pulses via transient topological states Changhoon Heo, Nikolai S. Kiselev, Ashis Kumar Nandy, Stefan Blügel & Theo Rasing Scientific Reports volume 6, Article number: 27146 (2016). Published: 08 June 2016 https://www.nature.com/articles/srep27146

スキルミオンを利用した新しいコンピューティングの可能性

  1. Magnetic Skyrmion as a Spintronic Deep Learning Spiking Neuron Processor　IEEE Transactions on Magnetics Volume: 54 , Issue: 8 , Aug. 2018 DOI: 10.1109/TMAG.　In this paper, the design of skyrmion-based devices to emulate biological synapses and neurons is explored, and skyrmionic synapse-based crossbar architectures driving skyrmionic neurons are proposed. We perform a systematic device-circuit-architecture co-design for digit recognition with the MNIST handwritten digits dataset to evaluate the feasibility of our proposal.

2020年早稲田大学理工入学試験問題数学で出題ミスの指摘　物理、化学も　文学部国語まで

2024年度入試の数学の最大値がない問題はこちら：

  1. 2024年度早稲田大学理工学部数学で出題ミスか

 

早稲田大学の入試問題数学における出題ミスの指摘

 

出題ミスの内容の解説

 

出題ミスへの対応に関する意見や感想など

 

出題ミスへの対応が大学によって極端に異なることの指摘

 

関連記事　⇒

 

出題ミスに関する早稲田大学の対応

 

早稲田大学の物理の入試問題に関する指摘

 

早稲田大学文学部入学試験問題国語

漢字の問題2問の答え（「発揮」、「窮屈」）が、2問とも問題文中にあったようです。

ジェームズ・P・ジュール（James Prescott Joule 1818-1889）の論文

ジュールと言えばエネルギー（仕事）の単位［J］の人ですが、水の中の羽根車を、滑車を通して取り付けたおもりで動かして水をかきまぜ、水温の変化を測定して、熱量と仕事量とが等価であることを示したことで有名なイギリスの科学者です。

ジュールの論文

  1. The Scientific Papers of James Prescott Joule　Volume I　(Cambridge University press)
  2. Description of an electro-magnetic engine
  3. Description of an electro-magnetic engine, with experiments
  4. On the use of electro-magnets made of iron wire for the electro-magnetic engine
  5. Investigations in magnetism and electro-magnetism
  6. Investigations in magnetism and electro-magnetism
  7. Description of an electro-magnetic engine
  8. On electro-magnetic forces
  9. On electro-magnetic forces
  10. On electro-magnetic forces
  11. Description of a new electro-magnet
  12. On a new class of magnetic forces
  13. On voltaic apparatus
  14. On the production of heat by voltaic electricity
  15. On the heat evolved by metallic conductors of electricity, and in the cells of a battery during electrolysis
  16. On the electric origin of the heat of combustion
  17. On the electrical origin of chemical heat
  18. On Sir G. C. Haughton’s experiments
  19. On the heat evolved during the electrolysis of water
  20. On the calorific effects of magneto-electricity, and on the mechanical value of heat
  21. On the intermittent character of the voltaic current in certain cases of electrolysis and on the intensities of various voltaic arrangements
  22. On the changes of temperature produced by the rarefaction and condensation of air
  23. On specific heat
  24. On a new method for ascertaining the specific heat of bodies
  25. Note on the employment of electrical currents for ascertaining the specific heat of bodies
  26. On the mechanical equivalent of heat. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 140 (1850), pp. 61- 82 (PDF at jstore.org)
  27. On the existence of an equivalent relation between heat and the ordinary forms of mechanical power (PDF at tandfonline.com)
  28. On the heat disengaged in chemical combinations
  29. On the effects of magnetism upon the dimensions of iron and steel bars
  30. On matter, living force, and heat
  31. On the mechanical equivalent of heat, as determined from the heat evolved by the function of fluids
  32. On the theoretical velocity of sound
  33. Expériences sur l’identité entre le calorique et la force méchanique. Détermination de l’équivalent par la chaleur dégagée pendant la friction du mercure
  34. On shooting-stars
  35. On the mechanical equivalent of heat, and on the constitution of elastic fluids
  36. Some remarks on heat and the constitution of elastic fluids
  37. On the mechanical equivalent of heat
  38. On a remarkable appearance of lightning
  39. On some amalgams
  40. On the air-engine
  41. Account of experiments with a powerful electro-magnet
  42. On the economical production of mechanical effect from chemical forces
  43. An account of some experiments with a large electro-magnet
  44. Introductory research on the induction of magnetism by electric currents
  45. On the fusion of metals by voltaic electricity
  46. Note on Dalton’s determination of the expansion of air by heat
  47. On the utilization of the sewage of London and other large towns
  48. Notice of experiments on the heat developed by friction in air
  49. On the intensity of light during the recent solar eclipse
  50. On an improved galvanometer
  51. On the thermo-electricity of ferruginous metals, and on the thermal effects of stretching solid bodies
  52. On the thermal effects of longitudinal compression of solids, with an investigation on the alterations of temperature accompanying changes of pressure in fluids
  53. On some thermo-dynamic properties of solids
  54. On the thermal effects of compressing fluids
  55. On a method of testing the strength of steam-boilers
  56. Experiments on the total heat of steam
  57. Experiments on the passage of air through pipes and apertures in thin plates
  58. On some amalgams
  59. On the probable cause of electric storms
  60. On the surface-condensation of steam
  61. Notice of a compressing air-pump
  62. Note on a mirage at Douglas
  63. On a sensitive barometer
  64. On a sensitive thermometer
  65. Note on the meteor of February 6th, 1818
  66. On a method of hardening steel wires for magnetic needles
  67. On an instrument for showing rapid changes in magnetic declination
  68. Determination of the dynamical equivalent of heat from the thermal effects of electric currents
  69. Observations on the alteration of the freezing-point in thermometers
  70. On a new balance
  71. The Scientific Papers of James Prescott Joule Volume 2 (Cambridge University Press)
  72. Experiments and observations on the mechanical powers of electro-magnetism, steam, and horses with Dr. Scoresby
  73. On atomic volume and specific gravity with Sir Lyon Playfair
  74. On the thermal effects experienced by air in rushing through small apertures with Sir Wm. Thomson
  75. On the thermal effects of fluids in motion with Sir Wm. Thomson
  76. On the thermal effects of elastic fluids with Sir Wm. Thomson
  77. On the thermal effects of fluids in motion with Sir Wm. Thomson.

ジェームズ・P・ジュールの業績を解説した論文

  1. ジュールによる熱の仕事当量の測定実験（岡本正志　受理日：2002 年11 月12 日　熱測定）
  2. Heat, work and subtle fluids: a commentary on Joule (1850) ‘On the mechanical equivalent of heat’ (John Young 13 April 2015)

参考

      1. 化学熱力学入門（由井宏治　オーム社　2013年）
      2. 熱量とエネルギーの等価性（2016-04-28 ４２．物理備忘録　－ 津江研究室別館 －　　宇宙見物　～科学を通して世界を眺める～ ）

浸透圧を計算する公式（ファントホッフの式）を導出した論文

原題（ドイツ語）Die Rolle des osmotischen Druckes in der Analogie zwischen Lösungen und Gasen

グーグル英訳　The role of osmotic pressure in the analogy between solutions and gases

本文の英訳

there is a deep-seated analogyーindeed, almost an identityーbetween solutions and gases　

雑誌・巻・頁　Zeitschrift fur physikalische Chemie
vol. 1, pp. 481-508 (1887)

Zeitschrift für Physikalische Chemie, Volume 1U, Issue 1, Pages 481–508, ISSN (Online) 2196-7156, ISSN (Print) 0942-9352, DOI: https://doi.org/10.1515/zpch-1887-0151.

 

アインシュタインの1905年の論文『熱の分子論から要求される静止液体中の懸濁粒子の運動について』

 

論文題名

ドイツ語原著タイトル　Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen.

  1. ドイツ語フルテキスト　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/andp.19053220806

英訳タイトル　On the Motion of Small Particles Suspended in Liquids at Rest
Required by the Molecular-Kinetic Theory of Heat

  1. 英訳フルテキスト　https://pdfs.semanticscholar.org/9c1d/91a9f0a37e578ee9a6605b224ad554ec6e86.pdf

日本語訳

  1. 熱の分子論から要求される静止液体中の懸濁粒子の運動について
  2. 静止液体中に懸濁した微粒子の熱の分子運動論から要求される運動について

雑誌・巻・頁

Annalen der Physik 17 (1905) 549-560

意義

1808年にジョン・ドルトンにより最初に提案された原子の実在性を証明した論文（ウィキペディア）

解説

  1. アインシュタインとブラウン運動の理論 (統計物理学 II 講義ノートおまけ 上羽牧夫 名古屋大学大学院理学研究科) 

奇跡の年1905年の5論文

  1. A. Einstein (1905-03-17). Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt [光の発生と変換に関する1つの発見的な見地について]
  2. A. Einstein (1905-05-11). Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen [熱の分子運動論から要求される静止液体中の懸濁粒子の運動について] 
  3. A. Einstein (1905-06-30). Zur Elektrodynamik bewegter Körper [運動している物体の電気力学について]
  4. A. Einstein (1905-09-27). Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? [物体の慣性はそのエネルギーの大きさに依存するか]
  5. A. Einstein (1905-12-19). Zur Theorie der Brownschen Bewegung [ブラウン運動の理論]

（参照：ウィキペディア）

関連書籍

    

2019年度ノーベル物理学賞受賞者はJames Peebles, Michel Mayor , Didier Queloz の3氏に

2019年度ノーベル物理学賞の授与

8 October 2019

The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Physics 2019

“for contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos” with one half

to James Peebles Princeton University, USA

“for theoretical discoveries in physical cosmology” and the other half jointly

to Michel Mayor University of Geneva, Switzerland

and Didier Queloz University of Geneva, Switzerland University of Cambridge, UK

“for the discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star” (nobelprize.org)

2019年度ノーベル物理学賞発表の様子

Announcement of the Nobel Prize in Physics 2019

参考

  1. New perspectives on our place in the universe (Nobelprize.org)
  2. Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2019 PHYSICAL COSMOLOGY AND AN EXOPLANET ORBITING A SOLAR-TYPE STAR (Nobelprize.org)

一般相対論の予言から100年 重力波をついに検出

一般相対性理論を完成させたアインシュタインはその理論に基づき、1916年に重力波の存在を予言しました。この予言から100年後の今、アメリカのLIGO（レーザー干渉計重力波天文台）の研究グループが重力波を直接観測することに世界で初めて成功しました。下の動画はこの研究成果を発表する記者会見の模様です。

LIGO detects gravitational waves (National Science Foundation)

0:00- France Cordova氏（アメリカ科学財団ディレクター)　の挨拶
2：25 – 重力波の説明ビデオ放映
4:00 – 12:43 David Reitze氏が重力波観測の成功を報告 “We did it! “　。２つのブラックホール連星が合体し重力波が発生すること、地球に届いた重力波をどうやって検出したかの説明。
12:54　- 21:13　Gabrieal Gonzalez氏が今回の観測結果をわかりやすく説明しています。
14：08- LIGOの説明
14：48-　観測された重力波データの説明
21:43 – 31：02 Rainer Weiss氏が重力波研究の歴史と測定装置について解説
31：25 -　39:45 Kip Thorne氏
40:00 – 44:25 France Cordova氏
44:25 – 質疑応答

、この輝かしい研究成果はフィジカル・レビュー・レターズ誌に報告されました。

GravitationalWaveAbstract-1 (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016. DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102)

地球に到達した重力波は2015年の9月14日に、米国ルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードに設置された２つの検出器で記録されていました。

2016AbbottFig1(DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102)

今回観察された重力波の発生源となったのは、2つのブラックホールの衝突と考えられています。今回衝突した２つのブラックホールの大きさは、太陽の質量のそれぞれ36倍と29倍で、この２つが衝突後に太陽の質量の62倍の大きさブラックホールを形成し、太陽の質量3つ分が重力波として放出されたと考えられます。

2016AbbottFig2(DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102)

今回重力波を記録することに成功した２つの検出器は、リビングストンとハンフォードに設置されており、２つの距離は3000km離れています。

2016AbbottFig3(DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102)

今回の研究は、重力波を世界で初めて直接検出したと同時に、ブラックホール連星の２つブラックホールが合体する瞬間を捉えたということに関しても世界初となります。

CONCLUSION
The LIGO detectors have observed gravitational waves from the merger of two stellar-mass black holes. The detected waveform matches the predictions of general relativity for the inspiral and merger of a pair of black holes and the ringdown of the resulting single black hole. These observations demonstrate the existence of binary stellar-mass black hole systems. This is the first direct detection of gravitational waves and the first observation of a binary black hole merger. (DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102)

参考

  1. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016. DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
  2. LIGO Caltech News
  3. 重力波、世紀の発見をもたらした壮大な物語 ノーベル賞級発見の手法と意義、天文学の新たな広がりを詳しく解説 (ナショナルジオグラフィック日本版 2016.02.12)
  4. 重力波の直接観測に成功！ 13億年前のブラックホール衝突の余波検出、正式発表　(GIZMODO.JP 2016.02.12)
  5. ついに重力波の観測に成功、光による宇宙観測を補完することで宇宙研究が大きく広がる可能性 (GIGAZINE 2016年02月12日)
  6. Gravitational Waves Discovered Proving Einstein’s Theory (Sequence Media Group)
  7. Search for Gravitational Waves by LIGO Scientific Collaboration, Particle Physics at the Year of 250th Anniversary of Moscow University (page 152) :””In the last few years a number of long-baseline, laser interferometric gravitational wave detectors have begun operation. These include the Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) detectors located in Hanford, Washington and 3000 km away, in Livingston, Louisiana. It is the joint Caltech-MIT project supported by the USA National Science Foundation.””
  8. LIGO Physicist Kip Thorne speaks to RT on gravitational waves discovery (RT)
  9. 重力波とは（KAGRA　大型低温重力波望遠鏡）：”アインシュタインの一般相対性理論によれば、質量をもった物体が存在すると、それだけで時空にゆがみができます。さらにその物体が（軸対称ではない）運動をすると、 この時空のゆがみが光速で伝わっていきます。これが重力波です。重力波はすべてを貫通し、減衰しないと考えられています。”
  10. What is the difference between a stellar mass black hole and a super massive black hole? (Institute of Astronomy, University of Cambridge):” stellar mass black holes are around 3-10 times the mass of the Sun, whilst supermassive black holes are 10^5-10^10 times the mass of Sun”
  11. Stellar mass black holes (http://jila.colorado.edu)
  12. Baumgarte and Shapiro. Binary black hole mergers. Physics Today. Oct. 2011
  13. 重力波ってなんだろう (THE HUFFINGTON POST/東京大学大学院理学系研究科 特任研究員 秋本祐希 2016年02月13日)

  15. 重力波、装置改造２日後に観測　明確なデータに驚きの声（朝日新聞DIGITAL 2016年2月13日）:”アインシュタインの「最後の宿題」とされた重力波を初めて観測したと米研究チームが報告した。…”
  16. 「重力波を初観測」米中心の国際研究チーム 発表(NHK NEWS WEB 2月12日):”アメリカを中心とした国際研究チームは、１１日、宇宙空間にできた「ゆがみ」が波となって伝わる現象、いわゆる「重力波」を初めて直接観測することに成功したと発表しました。重力波の観測は、ノーベル賞に値する成果とも言われ、日本の専門家も「天文学の飛躍的な発展につながる」と述べて高く評価しています。…”
  17. 重力波の間接的な存在証明（重力波研究の歴史　KAGRA　大型低音重力波望遠鏡）：”… ハルス先生とテーラー先生は、連星中性子星という、極めて強い重力場を持つ中性子星同士が互いに近接して連星系をなす、極めて稀な天体（PSR1913+16）を1974年に発見しました。そして、もし、その連星運動から強い重力波が発生していたら、連星系の回転の勢いが奪われ、連星の公転周期が短くなるはずだと予測しました。何年にもわたって、PSR1913+16という中性子星連星系の公転周期の変化を観測したところ、1979年、ついに、その公転周期の短縮変化が重力波が原因であると仮定して得られる理論的な予想と、誤差１％程度で一致する結果を得て、結果、これが重力波の間接的な存在検証となりました。この成果により、二人の先生は1993年にノーベル賞を受賞されました。”
  18. The Nobel Prize in Physics 1993 (nobelprize.org) :”The Nobel Prize in Physics 1993 was awarded jointly to Russell A. Hulse and Joseph H. Taylor Jr. “for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has opened up new possibilities for the study of gravitation””

参考（追加）

  1. 「メディアによる大袈裟な『重力波騒動』：あれは本当に重力波の波形なのか？」
  2. ノーベル賞がいくつあっても足りない重力波の観測　その感動を伝えられない大手メディアに価値なし（伊東 乾 2016.2.15　JBPRESS）
  3. 「重力波観測」の特報に胸が高鳴る6つの理由　揺らぐシャープに「重力波スマホ」開発の気概は？（山根 一眞　2016年2月15日　日経ビジネス）
  4. 重力波の直接観測に成功！ 13億年前のブラックホール衝突の余波検出、正式発表 (GIZMODO.JP　原文は英文サイトのMaddie Stone氏の記事)
  5. 重力波、世紀の発見をもたらした壮大な物語 ノーベル賞級発見の手法と意義、天文学の新たな広がりを詳しく解説 (NATIONAL GEOGRAPHIC日本版　原文は英文サイトのNadia Drake氏の記事）
  6. ついに重力波の観測に成功、光による宇宙観測を補完することで宇宙研究が大きく広がる可能性 （Gigazine)