科学・技術と自然環境について、教育を考える。
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物理学の理論構成
物理学の理論構成  ­ 三系列の論理と相互関係について ­

 物理教育学会近畿支部で表題の記念講演をした(5月)。その要旨と最初の部分をここに書く。この講演の内容は一昨年上梓した『物理学とは何かを理解するために』菅野礼司・南原律子著(吉岡書店)の続きである。

要旨: 
 物理学は,自然科学の中で扇の要の位置にある。物理学の理論体系の構造と論理を,緒分野の相互関係を通して詳しく考察することは,自然科学を深く理解することに役立つであろう本稿では,自然界の階層構造をふまえて,物理学諸分野を三系列に分類し,それらの相互連関を考察した。
 3系列とは、時空記述(力学、電磁気学,相対性理論など,粒子(質点)や場の空間的運動・変化を時間的に追跡する理論),状態記述(熱学,熱力学、分子統計力学などで、状態変化とその法則を記述),統一記述(両者を統一した方法で、波動論、量子論,場の量子論、素粒子論,宇宙論)である。
 また,物理学の研究方法,理論体系の特徴,理論の完備性などについても考察した。さらに,自然科学の特性をまとめ,理論転換(科学革命)についてその論理と展開を追った。

キーワード: 階層構造,時空記述,状態記述,統一記述,三系列,相互連関,研究方法,理論体系,完備性,理論転換,科学革命

1.はじめに
 自然科学,すなわち自然の仕組みを理解し,説明しうる科学的知識というものは,個々の知識,つまり概念や法則を単に寄せ集めたものではなく,それらを有機的に関連づけて築かれた一つの理論的体系である,ということをまず認識しておくべきである。自然科学のすべての分野は,みなそれぞれ独自の認識対象と研究方法をもち固有の理論体系を築いてきた。それらは,さらにまた全体で自然科学というもう一回り大きな体系をつくっている。
 だが,それらの分野は同じウエイトで平面的に並存しているのではなく,基礎分野とその上に形成されたものとがあり,立体的構造をしている。その構造において,物理学は全体の基礎になっている。すなわち,物理学は自然科学の中で,扇の要の位置にあるといえるだろう。自然界を構成しているもっとも基本的なものは,時空間と物質である。その運動・変化の仕組みを追及するのが物理学だからである。ただしそれは,すべての自然現象を物理学によって直接的に解明できるということを意味するものではない。物理的現象が基礎になっている事柄でも,物理学によってストレートに説明できない現象はいくらでも存在する。

 よく知られているように,自然界の物質の存在様式は階層的構造をなしていて,通常の物質の運動変化の現象はほぼそれぞれの階層の範囲内で生起している。すなわち,それぞれの物質階層には固有の法則があり,特有の構造を持って近似的に独立し,閉じた体系をなしている。ただし,当然ながら上下の階層にまたがる現象も起こりうる。
階層ごとに固有の法則があることが,自然科学にいろいろな分野;物理学,化学,生物学,地学,宇宙論などが存在する理由である。
 その中の物理学について,その理論体系の構造と論理を,その分野の相互関係を通して詳しく考察することは,物理学,ひいては自然科学をさらに深く理解することに役立つであろう。

(2節以下は見出しのみ)
2.物理学の諸分野とその相互関係 ‐3系列の流れ‐
3.自然科学の特性と理論転換の論理
4.物理学における理論転換の歴史(具体的事例)


(この全文は物理教育学会誌「物理教育」に近く掲載される予定。)
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電磁気学のマクスウェル理論の問題点-変位電流は磁場を作るか否か
 電磁気学のマクスウェル理論の問題点-変位電流は磁場を作るか否か                           

 最近、物理教育学会で、電磁気学のマクスウェル方程式の一つ「電流と磁場に関するアンペール・マクスウェルの法則」の解釈を巡って論争が起こっている。ことの起こりは、ある会員の「変位電流の作る磁場の測定法」に関する投稿論文(学会誌『物理教育』)からである。編集委員会は、最近の説では「変位電流は磁場をつくらない」ということになっているからと、この論文の掲載を拒否したことにある。編集委員会の主張は、これまでの「マクスウェルの導入した変位電流は磁場をつくる」と教えてきたことを覆す大問題であるから、このことを巡って論争が起こったわけである。この問題について、編集委員会から私の意見を問われたので、まとめたのが以下の論考である。
 その全文は長く式も多いので、ブログには適さないから、その要旨と導入部をここに書く。全文は『物理教育』の次号(第60巻第1号2012年3月)に掲載される(賛否両論を併せて掲載する特集)ので、それを見ていただきたい。
 

要旨 
 電磁気学のマクスウェル方程式のなかの変位電流について、「変位電流」は存在せず、それは電場の時間的変化を示すだけであり、しかも変位電流が磁場をつくるという旧来の説は誤りであるという新説が、近年唱えられている。その新説の根拠とされる論理と、モデルについて吟味する。相対論的場の量子論による真空の物質性、作用伝達について相対論的遅延効果、および電磁場を媒介とする近接作用の立場を考慮すれば、その新説は疑わしい。「変位電流」は存在し、かつそれは磁場をつくると結論できる。

1.はじめに 
 電磁気学の基礎であるマクスウェル方程式の一つ、アンペール・マクスウェル方程式は下記のように表され、その左辺第2項(∂D/∂t)は変位電流項とよばれる。この項は、電荷・電流の保存則をみたすために不可欠な項である。また、この式は電流Jのないところでも成立するので、この変位電流項からは磁場がつくられると解釈されてきた。 

    ▽×H-∂D/∂t=J ( アンペール・マクスウェル方程式)

 ところが昨今の新説(たとえば、編集委員会の推薦書:太田浩一著『電磁気学の基礎』(シュプリンガー・ジャパン2007) )では、この“変位電流項は電場の時間的変化を与えるものであって「電流」ではない”、そして“変位電流は磁場をつくることはない”と主張される。本稿ではそのことについて考察する。筆者の結論は、「変位電流は真空の分極電流であり実在する、かつ磁場の成因でもある」。

2.「変位電流」の実在性について 
新説では“「変位電流」は電場の時間的変化であって、電流としての実体はない”と主張される。
 変位電流(displacement current)の導入と、その名の由来はマクスウェルにある。彼は電場Eによって誘電体が分極するように、物質が存在しない真空でも空間に電気変位ε0Eが生じ、それによって電流ε0∂E/∂tが生ずると考えた。マクスウェルは、当初、真空中に渦管と荷電粒子の模型を仮定して変位電流項を導いた。そののち彼は、その模型を破棄して真空を埋めつくすエーテルを仮定したが「変位電流」はそのまま残した。つまりマクスウェルはエーテルの緊張状態を仮定することによって、それを電磁場と変位電流の媒質とした。ここに変位電流は伝導電流(conduction current)と対等な電気伝導媒体の地位を得た。
 だが、エーテルの存在が否定された今日では“「変位電流」の名は歴史的遺物であり、電流とよぶのは避けるべきだ”、“真空中では電場が変化しているだけで、電流が流れているわけではない”、したがって“変位電流が磁場をつくるとの考えは誤りである”などの主張がある。以下、本稿ではこれらの主張に対する疑問と反論をのべる。

マクスウェルの渦管と荷電粒子模型は当時としても非現実的であると評判も悪かったようで、のちに彼はそれをエーテル模型で置きかえた。「変位電流項」にも当初疑問がよせられたが、電荷・電流の保存則の成立と電磁波の存在にはそれは不可欠であった。
ちなみに言うと、マクスウェルは実電流が切れる開回路で、たとえばコンデンサーの極板のところで、電荷保存則が成り立つように変位電流を導入したのでなく、最初のモデルから導いたのである。そして重要なことは、閉回路でも非定常電流の場合は変位電流が必要だということである。なぜならば、非定常電流のとき、電流強度は回路上の一点で時々刻々変化し、かつ場所ごとに異なり一様でないから、電流密度の発散▽Jはゼロでない。したがって、非定常電流の回路には時間的に変化する電荷の分布(一般的には場所により異なる)があり、電荷・電流の保存則が成り立つためには変位電流がいるのである。
マクスウェルの予言通り、電磁波の存在がH.R.ヘルツによって実証されてからは、エーテルと変位電流の存在への確信はしだいに定着していった。アインシュタインの相対性理論によってエーテルの存在が否定されると、真空中にも現れる「変位電流」には上記の疑問が再提起された。
 他方、ディラックに始まる相対論的場の量子論では、真空は空虚ではなく粒子・反粒子対で埋めつくされている。真空中の電子は電荷によりその周囲に真空分極(vacuum polarization)をひき起こす(この分極は実状態の電子・陽電子対生成―2mc2以上のエネルギーを必要とする―によるものではなく、仮想状態の対生成によるものである)。この真空分極による遮蔽効果で、電子は裸の電荷より小さい電荷を持った電子として観測される。この真空分極の存在は、くりこみ理論の成功によってもはや否定しえないものとなっている。くりこみ理論の正しさは、電子の質量、異常磁気能率、水素原子のラム・シフトなどについても高い精度で実証されている。つまり今日にあっては真空は空ではなく、「真空の物質性」は否定しえないものとなった。
 したがって、電場によって起こる真空中の粒子・反粒子対の分極にともなう分極電流の実在性は否定しえないであろう。その真空分極はコンデンサーの極板間をみたす誘電体の分極と同じ効果をもつと理解される。

(以下 節の項目のみ)
3.マクスウェル方程式は相対論的共変形-作用伝達の遅延効果
4.電場と磁場の源について積分表式による解釈
5.作用の伝達機構を局所的に見るべし
6.変位電流は磁場をつくらないか
7.まとめ
サイエンス・カフェ
サイエンス・カフェ

 最近「サイエンス・カフェ」があちこちで立ち上がっている。コーヒーやお茶を飲みながら、科学談義を通して科学者と市民との交流が盛んになることは喜ばしいことである。以前から、市民講座やカルチャーセンターなどが続いているが、文学、歴史、芸術、趣味などが主流で、科学は、健康や食物に関するものを除いてはほとんどない。そのせいか、サイエンス・カフェが次々に開設されていくのは、一般市民のなかに科学に対する興味と知的要求が増大していることな反映であろう。

 科学は自然科学ばかりでなく、一般的には社会・人文科学も含む。科学は技術と別で、精神文化の一つである。
昔の一般教養は「読み・書き・算盤」だったが、現代のような科学・技術時代には「基礎的科学」がそれに加えられるべきだろう。

 昨年、日本科学者会議と黒崎東商店会(大阪北天満)との共催のサイエンス・カフェが開設された。商店街の通路に椅子と机を並べたでだけで、講演や実験をしていたが、結構賑わい質疑応答も盛んであった。しかし、常設の場所で何時でもコーヒーを飲みながら交流できるようにしたいとの要望が当然ながらあった。そこで、商店街の尽力により小さいながら一室を使えるようになり、先日改めて「サイエンス・カフェ」の開所式があった。


 その開所式に科学者会議大阪支部を代表して挨拶をした。その時の挨拶要旨:

 科学者会議とはいかなる団体かを簡単に紹介。自然、人文、社会科学のあらゆる分野の科学者・技術者の集団で、それら会員が協同して総合的に科学研究を行い、その成果を社会に役立てることを目的にしている。以前は公害問題で大いに活動した。また、科学研究の成果を市民に還元するとともに、市民と一緒に科学・技術を育てることも目的の一つである。サイエンスカフェはこの目的にぴったりの活動スタイルである。

 昔から、大阪の町民文化は独特の味があり、その文化は商業にも活かされれた。学問所としては有名な「適塾」があるが、これは半官半民で全国から秀才が集まったものであった。だが、適塾の以前に町民が自ら開設した「懐徳堂」と「先事館」というものがあった。そこに学者を呼び、町民たちが熱心に学んだ。その学生の中に山片蟠桃という人がいた。この人はアイデアマンであり、ユーモアもある才人だった。商業でも大成功し、升屋という両替商の番頭だった人です。 彼は「懐徳堂」と「先事館」で学び、その知識を『夢の代』という本のまとめた(これ以外にも著書はある)。講義中に夢を見ながら居眠りをしたので、罪滅ぼしに夢の代償としてこの本を書いたといって、このような書名としう。彼は番頭だったのでペンネームを「蟠桃」とした。このようユーモアたっぷりの人でしたが、『夢の代』は科学、経済、宗教などについて彼の考えをまとめた優れた本である。「夢」にはロマンの意味も含まれていると思う。科学は役に立つ知識というだけではなく、そこには夢とロマンがある。
 最近の経済危機の続く時代では、毎日の生活は苦しく、あくせく仕事に追われているが、その中にも精神的ゆとりが求められている。この「サイエンス・カフェ」がその場となるであろう。町に文化を根付かせ、その文化と結びついた商業こそ望ましい姿である。この「黒崎東商店会サイエンス・カフェ」が第二の「懐徳堂」と「先事館」となり、この中から第二の山片蟠桃がでることを期待している。そして商店街に活気と繁栄がよみがえることを。


 町に文化を根付かせるには、サイエンス・カフェ以外にもいろいろな方法があるだろう。落語の天満天神繁昌亭は商店街の尽力で町文化を根付かせた好例であろう。
もっとも好奇心の強い生き物:人間
        もっとも好奇心の強い生き物:人間

 人間は強い好奇心をもって生まれてくるようです。幼児の時から、知恵が付くと何でも知りたがります。子供の頃、日常生活のことや自然現象について不思議に思われることをお母さんに聞いたことを思いだします。あまり次々にしつこく聞いて、お母さんを困らせた人は多いはずです。

 人間の意識や好奇心は、生物進化の過程で何時どのようにして生まれたのかまだわかりませんが、考えてみると不思議な現象です。

 人が生まれながらにして問いかつ学び、そして老いても学び続けることを詠った谷川俊太郎さんの実に素晴らしい詩があります(本年元旦にの朝日新聞に掲載):

「かすかな光へ」

  あかんぼうは歯のない口でなめる
やわらかい小さな手でさわる
   なめることさわることのうちに
   すでに学びがひそんでいて
   あかんぼうは嬉しそうに笑っている
  
   言葉より先に 文字よりも前に
   波立つ心にささやかな何故?が芽ばえる
   何故どうしての木は枝葉を茂らせ
   花を咲かせ四方八方根をはって
   決して枯れずに実りを待つ

   子どもは意味なく駆け出して
   つまずきころび泣きわめく
   にじむ血に誰のせいにもできぬ痛みに 
   すでに学びがかくれていて
   子どもはけろりと泣きやんでいる

   私たちは知りたがる動物だ
   たとえ理由は何ひとつなくても
   何の役にも立たなくても知りたがり
   どこまでも闇を手探りし問いつづけ
   かすかな光へと歩む道の疲れを喜びに変える

   老人は五感のもたらす喜怒哀楽に学んできた
   際限のない言葉の列に学んできた
   変幻する万象に学んできた
   そしていま自分の無知に学んでいる
   世界とおのが心の限りない広さ深さを
 
 子供にとって母親は知識の源であり、疑問を育てる大地です。「子供が毎日の生活の中で、自然のことや科学について、素朴な疑問や問題意識を持つきっかけは何か」を問うた調査結果がかなり以前に報告されました。一番影響力のあるのは、テレビでも先生でもなく、意外にも母親でした。母親の影響の大きさに改めて驚きました。このことは同時に家庭教育の大切さを示しています。

 子供の成長とともに質問内容も難しくなります。知らないことを子供からしつこく聞かれると、多くのお母さんは逃げるか不機嫌になり、折角の子供の好奇心を抑えてしまいます。我が子の好奇心を摘取ってしまわないように、子どもとどこまでも一緒に考えるようにしましょう。 

 現代社会では、私たちの生活は科学・技術の成果にすっかり取り囲まれていますから、科学の基礎知識は「読み、書き、計算」と同じように、市民的教養として欠かせなくなっています。このような時代には「市民的素養としての自然科学」が求められているでしょう。私は定年後に女子大の教養で科学教育を担当したことがありますが、その時に学生に対して上記のことを話し、「理科の食わず嫌い」を改めて、少しでも自然科学の知識を学んで欲しいと訴えたことがあります。
物理オリンピック
 物理オリンピックに日本代表が大活躍

 8月25、26日に、西梅田のハービスホールで、「青少年のための科学の祭典」が開催された。

 この祭典は物理教育や科学・技術館などの主催で10数年前から、毎年開かれている。子供たちが科学が好きになるようにと、いろいろな演示実験、手作り実験、および講演を行っている。この「祭典」は今では全国各地に拡がっている。

 今年は、催し物の一つの講演を依頼されたので、久しぶりに参加し、実験演示のブースを覗いてみた。実験演示は盛況で、内容も工夫を重ねて以前よりバライアティにとんでいた。

 今度の大阪での「祭典」で披露された、物理オリンピックのことを是非宣伝したい。

 私の講演の前に、今年度の物理オリンピックに入賞した生徒の紹介があった。今年の物理オリンピック(イランで開催)には、全国から選抜された選手5名が参加し、全員入賞した。金賞2名、銀賞2名、銅賞1名という素晴らしい成績であった。
 そのうちの近畿地区から参加した3名は金賞2名、銅賞1名である。

 その3名が、メダルを胸にしてこの会場で皆に紹介された。物理オリンピックについて、試験の様子など説明され、受賞生徒の感想など聞いた。試験の成績が良く受賞した喜びもさることながら、世界から集まった人たちと楽しい交流ができたことも、得難い収穫であったとの感想があった。 この感想もよい。

 受験一本の勉強でなく、広く理論と実験について学ぶことが求められるオリンピックで、このような成績を収めたことは素晴らしいことである。

 日本からの参加は、今年が2回目だそうである。
来年の代表選手はすでに選抜テストで選ばれている。この3名は当然、テストに合格して選手となった。来年の健闘を期待したい。
 
 マスコミは、野球、サッカー、ゴルフなど派手なスポーツばかりを取り上げて大騒ぎするのでなく、このような分野で国際的に素晴らしい成績を収めたことも、大々的に取り上げて社会の注目を集めてほしい。 数学オリンピックでも、日本選手は優秀な成績で受賞し活躍している。「科学技術立国」、「文化国家」を目指すなら、スポーツに夢中になるだけでは駄目だろう。

 そして、物理や数学オリンピックを是非日本でも開催するようにしてほしい
  
 ちなみに、私の講演は、湯川秀樹生誕100年を記念した「湯川100年祭」に際して、核力を中心にした話「いろいろな力:重力-電気力-核力」とした。力とは何か、どんな力があるか、万有引力や核力はどのようにして発見されたかなどを話した。科学の研究と発見は、一つことを深く追究すると同時に、視野を広めていくつかの現象を関連づける想像力が必要であることを、万有引力と核力の発見を例に取り強調した。
 割合熱心に聞いてくれ、質問も多く出た。
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