자연현상을 보편적으로 해명

물리학은, 자연현상에 대하여, 될 수 있는 한 간결하면서도 보편적인 방식으로 발견하려고 한다 라고 하는 학문인 것이다. 여기에서 『보편적』이라고 하는 것은, 하나의 견해이지만, 굉장히 넓은 범위의 자연현상에 적합하다라는 의미인 것이다.
예를 들어, 『별의 운동과, 지구상의 사과가 나무에서 떨어지는 일은, 실은 전혀 같은 법칙이라고 기술할 수는 없을까』라고 하는 견해를 해본다. 그래서, 그 사실을 수학을 이용해서 애매하지 않게 기술해본다. 그러면, 놀랄 만한 일, 별의 운동도 사과의 운동도 완전하게 같은 방정식으로 기술 할 수 있고, 게다가 그 방정식은, 굉장히 간결한 형태로 되어있다 .이것이 간결하면서 보편적인 형식인 것이다.
게다가, 이처럼 하게 된다면, 별에서도 사과에서도, 그 운동에 대하여 관찰이나 실험의 결과에 대하여 설명 할 수 있을 뿐만이 아니라, 또한 관찰이나 실험을 하지 않고 미래의 일(예를 들어, 지금부터 백 년 후의 달이나 별의 위치)까지 예상 할 수 있을 것이다.
물리학의 발전이라고 하는 것은, 기본적으로는 이처럼 보편적인 방식을 보다 넓은 범위의 자연현상으로 확대해 나가는 것이다라고 하는 것이다.
예를 들어『역학』이라고 하는 물리의 이론은, 별이나 사과의 운동은 기술 할 수 있어도, 원자와 같은 지극히 작은 사이즈의 물질운동은 기술 할 수 없다. 그 이론을, 20세기 초반에, 『양자역학』이라고 하는 새로운 이론에 수정하면서부터, 별과 같은 거대한 물체에서 원자와 같은 지극히 작은 사이즈의 물체까지, 모두 같은 방정식으로 보편적으로 기술 할 수 있게 되어, 물리학은 커다란 발전을 달성하게 된 것이다.

물리학의 발전 방향

보편적인 견해를 넓은 범위로 확대해가는 방향으로는 2가지가 있다.
하나는, 『환원주의』적인 방향이다. 이것은, 모든 것을 그 구성요소로 분해해가면서, 궁극적으로는 구성요소를 이해하는 일에서부터 자연현상을 이해해보자 라고 하는 방법인 것이다.
이 방침에 의하면, 먼저, 물질은 원자로 구성되어있는 것을 해명 할 수 있고, 계속해서 원자는 원자핵과 전자로 구성되어있는 일로 해명된다. 게다가 원자핵을 양자와 중성자로 구성되어 있는 일을 해명 할 수 있고, 거기에 양자도 또한 중성자도 쿼크 라고 하는 입자로 구성되어있는 것으로 해명되며,……라고, 점차『마이크로』(굉장히 작다라는 의미) 적인 의미의 방향으로 진행되어, 현재에는 좀더 마이크로 적인, 궁극적인 구성요소이지 않을까라고 보여지는 듯한 요소를 찾는 단계까지 오고 있다.
단순하게 생각해보면, 이 분야를 진행해 나가는 것은, 궁극의 마이크로 적인 구성요소로 판단해 버린다면, 그것으로 모든 것을 알게 되는 듯이 생각할지도 모른다. 실제, 그렇게 적혀있는 책도 발견된다.
하지만, 자연현상은 그렇게 간단하지는 않다. 예를 들어 마이크로의 구정요소에 따라 방정식을 판단할 때 그 방정식은 지극히 한정된 장소에서 밖에 해결되지 않는다. 교과서라든가 문제집에는 푸는 방법밖에 적혀있을 뿐이며, 무심코 어떠한 문제라고 열심이만 한다면 풀 수 있을 것 같다는 착각으로 빠져들게 될지도 모른다. 그러나 현실의 자연현상과 마주하게 된다면, 그 대다수는 구성요소에 대한 방정식을 써내려 가도 그 방정식을 풀지 못하게 된다. 게다가 풀지 못하는 이유는, 사람의 수학력과 미숙한 것 때문이 아니라 원리적으로 풀지 못하기 때문이다. 결국, 미래에 어떤 머리 좋은 사람이 등장하더라도 풀지 못하는 것이다. 따라서, 궁극적인 구성요소를 판단해도, 그것은 확실하게 커다란 진보라 할 수 있을 것이지만, 결론적으로는 물리학을 능숙하게 할 수는 없다라는 것이다.
이것은, 언뜻 절망적인 상태라고 들릴지도 모른다. 그러나 놀라운 일은, 원리적으로 풀지 못하기 때문에 오히려 다른 법칙성이 나타나는 것을 알게 된다는 것이다.
절대 풀지 못하는 것은 다수의 입자가 충돌을 반복하면서 각각의 입자가 점점 아무렇게나 운동을(그것을 [카오스]라고 한다)하기 때문이다. 그러나 아무렇게나 라고 하는 것은, 확률론(주사위를 던지는 일을 수학적으로 정식화한 이론)을 사용해서 기술 할 수 있게 된다. 그 결과, 각각의 입자의 운동을 예상 할 수 없어도, 입자가 모이는 것을 전체로 하는 평균적인 운동은, 간결한 법칙이면서 보편적으로 기술 할 수 있다는 것을 알게 된다.
이처럼 평균적인 행동들에게서 착안한다고 하는 견해가 유효한 것은 대단히 많은(0이 10개 이상 나열된 것과 같이 큰 수의) 입자에서 가능한 물체이다. 이와 같은 물체를 『매크로계』라고 부른다.
우리들이 일반적으로 보는 것은, 대다수의 전부가 매크로계 인 것이다.매크로계에서는, 환원주의의 생각으로 간단하게 접근 할 수 없는 이유는, 질적으로 다른 보편성이 있기 때문이다. 이 매크로계의 독특한 보편성을 보다 넓은 범위의 물체나 현상에 확대하는 방향이 물리학의 2번째 방향인 것이다.
게다가, 물리학을 넓은 범위로 확대해 가고 있다 라고 하는, 약간은 다른 제3의 방향도 있다. 그것은 이미 확립된 물리학을 여러 가지 물체에 적용해 간다, 라고 하는 방향인 것이다.
결국, 여러 가지 자연현상을, 전부 확립되어진 물리학으로 이해해보자라고 하는 것이다.
실은, 이 방향으로 연구하고 있는 물리학자의 수가 가장 많다. 그 풍부한 연구결과에 의해서, 확립되어진 물리학이 의미하는 것을 보다 심도 깊게 이해해가는 것으로, 결론적으로 이 방향이 상기의 2가지의 방향과 비교한다고 해서 화낼 것까지는 없다. 실제, 이 방향의 연구가 계기가 되어서, 상가의 2가지의 방향의 연구가 비약적으로 발전한 예도 수없이 많기 때문이다.
이상을 정리해보자면, 다음과 같이 된다. 물리학은, 자연현상에 대하여, 될 수 있는 한 간결하게 하는 한편, 보편적인 견해를 발견한다라는 학문이면서, 물리학의 발전이라고 하는 것은, 기본적으로는, 이처럼 보편적인 견해를 보다 넓은 범위의 자연현상으로 확대해 가는 것이라 할 수 있다.
또한, 그 확대의 방향이라고 한다면, 환원주의적인 마이크로적 방향으로 확대하며, 환원주의에서는 항상 가지 않는 매크로계의 보편적인 견해를 추구하는 방향이 된다. 그리고, 여기에서와는 다른 제3의 방향이라고 해서, 여러 가지 자연현상을, 전부 확립된 물리학으로 이해해보자라고 하는 방향도 있다.

물리학의 여러 가지 분야

각각의 분야에 대하여, 좀더 자세하게 구체적으로 소개하려 한다. 물리학이라고 하는 것은, 19세기말까지 대부분이 확립된 것은, 『역학』(물체가 힘을 받아서 운동하는 모양을 기술한다), 『전자기학』(전기나 자기나 전파나 빛의 하는 일을 기술한다), 『열역학』(열이 휘감겨오는 현상의 물리학), 『유체역학』(액체나 기체가 흐르는 현상의 물리학) 등이 있다.
20세기에 들어가면서, 새로운 실험결과라든지 새로운 사고력이 촉발되면서, 새로운 물리학은 노도(거친파도)와 같이 만들어지게 되었다.
먼저, 역학은, 물체의 속도가 빛의 속도에 가까울 정도로 빨라지게 되면 없어지게 된다는 것을 알게 된, 아인슈타인의 『특수상대론』에 의해 변경하게 되었다. 다시 말하면, 역학보다도 특수상대론 쪽이 적용대상이 넓고, 전자는 후자의 유사이론(물체의 속도가 빛의 속도와 비교해서 계속 늦을 때만이, 후자와 대부분 같은 결과를 전해주는 이론)이라고 생각되어지게 되었다.
게다가, 동력에 대해서도, 뉴턴의 만유인력의 법칙은 중력이 상당히 강한 곳에서는 없어지게 된다 라고 하는 것을 알게 되었던, 『일반상대론』에 의해 변경되었다.
그 결과, 우주의 대규모적인 공간이나 시간의 구조도 논의가 가능하게 되어, 결국은 관측결과의 축적과 연결하여『우주론』의 연구가 진행되고 있다.
한편, 역학은, 원자 등의 마이크로적인 물체에서도 없어지게 되는 것을 알게 되어 『양자역학』이 만들어 지게 되었다.
계속하여, 전자공학도, 빛이 약해 질 때에는 없어지게 되는 것을 알게 되어, 빛의 양자론을 만들게 되었다. 그리고, 그 이론을 확장해서, 양자역학과 특수상대론을 융합한『장의 양자론』이 만들어지게 되었다.
오늘날에는, 소립자(빛, 전자, 양자, 중성자, 쿼크 등)라면, 전부 장의 양자론에서 기술 할 수 있다고 생각되고 있으며, 그것을 연구하는 분야를 『소립자물리』라고 불린다. 소립자물리학의 최선단에서는, 더욱이 마이크로적인 궁극의 구성요소를 추구하여, 장의 양자론과 일반상대론을 융합한 궁극의 마이크로적인 이론을 만들려 하고 있다.
한편, 매크로계를 연구대상으로 하는 물리학의 움직임이, 열역학, 유체역학인 것이다. 머지않아, 열역학과(역학이나 양자역학 등의) 마이크로적인 물리학의 중간 다리 역할을 하는 『통계물리(통계역학)』가 만들어져, 마이크로세계에서 매크로세계까지 연결이 보이기 시작했다.
그러나, 열역학도 통계물리도, 완성되어 있는 것은, 『평균상태』라고 하는 특수한 상태에 잇는 매크로계에 관한 부분만이고, 『비평균 상태의 매크로계의 물리학』이, 물리학자들이 지향하는 커다란 목표가 되고 있다.
한마디로, 비평균상태라고 말해도 굉장히 넓고, 보통의 물질의 비평균상태의 연구(「비평균통계물리」)도 포함하고 있으면, 생명현상의 연구(「생물물리」)등도 포함하고 있다. 특히, 생명현상이나 분자량의 커다란 물질의 화학반응은, 단순하게 매크로로서 비평군이라는 것뿐만 아니라, 종래의 물리학의 대상과 비교하면 매우 복잡하다. 이처럼, 복잡한 시스템을 담당하려는 물리학이라고 한다면, 『복잡계』도 빈번하게 되고 있다.
또한, 양자론과 정보이론을 융합한, 『양자정보이론』이라고 하는 새로운 분야도 급속하게 발달되고 있다.
거기다, 경제현상이라든가 교통류 등까지, 물리학이 담당하려고 하는 범위는 점차 확대되고 있다.
이처럼, 종래의 물리학의 대상에는 포함되어 있지 않던 여러 가지 분야의 물리학의대상까지 그 범위가 크게 넓어져 가고 있는 것이, 최근의 물리학의 흐름의 하나로 되고 있다. 결국, 물리학자 이외의 사람들은 연구해 오지 않았던 분야에도, 물리학의 생각(보편성이나 이론성)을 들여오는 것에 의해, 새로운 지평을 여는 시도가 있다.
다른 한편으로는, 전부 확립된 물리학에 여러 가지 물질이나 현상을 이해해보자라고 하는 방향으로, 『원자물리』, 『원자핵물리』, 『양자일렉트로닉』, 『양자광학』, 『플라즈마물리』, 『물생물리』등이 있다. 특히, 물생물리(「응축계물리」라고도 말한다. 「고체물리」등을 포함) 는, 응용에 가까운 것도 있고, 최대의 연구자 들을 소유하고 있는 분야가 되고 있다.

생물학 ·화학이나 수학과의 차이점

물리학이라고 하는, 다른 이학계 학문과의 다른 점을 나열해 보겠다. 생물학이라든가 화학과와 다른 점은, 물리학의 대상을 확대하는 것에 따라서, 처리하는 대상에서는 구별 할 수 없게 되고 있다. 실제, 『생물물리』라든가 『화학물리』라든가 『분자물리』라고 하는 것은 물리에도 있다.
그러면 어디가 다를까라고 한다면, 첫 번째로는 물리학에는, 최초로 나열했듯이, 보편성을 강하게 추구한다는 것이다. 그것에 비하여, 생물학이나 화학에서는, 개별의 대상을 나타내는 특수성에도 상당한 흥미를 갖고 있듯이 생각되고 있다.
또 다른 한가지는, 물리학에서는 『논리성』이 강하게 요구되는 점에 있다. 반드시 논리로 분석하고, 이해하거나 한다. 때문에, 예를 들어 기존의 물리학에서는 이해되지 않는 현상과 마주치게 될 때에도, 왜 그런 현상을 기존의 물리학에서는 이해되지 않을까를, 논리적으로 기술한 논문이 있다. 하나의 예로『이렇게 해본다면 이렇게 됩니다.』라고 하는 논문은, 물리학에서는 일반적으로 받아들여지지 않는다는 것이다.
이 보편성과 논리성을 위하여, 일단 물리학이 행해지는 곳에 들어오게 되면, 논리학은 굉장히 파워풀하다. 물리학적인 뒷받침이 있다면, 하나하나 남김없이 조사할 필요가 없게 되고, 실험의 대부분을 곤란한 상태가 될 현상을 단정적으로 예언하는 것이 가능하게 된다.
그러나 강점과 약점은 겉과 속이 있으며, 능숙하게(현재의) 물리학의 행해지는 곳에 들어오지 않는 문제에 대해서는 생물학자라든가 화학자의 사람들이 계속해서 빠르게 해결하거나 한다. 어느 학문이라도, 강점이나 약점은 있기 때문이다.
덧붙여 말하자면, 회사라는 취직한 곳에서는, 이처럼 강점과 약점은 그 상태 그대로 억지로라도 끌고 가는 경향이 있다고 하겠다.
그런데 논리적이라고 한다면, 물리학은 수학쪽에 가까운 것일까? 실은 그렇지도 않다. 물리학은 어디까지나 자연현상을 대상으로 하는 것이기에, 어느 정도 수학적으로 긴밀함은 있어도, 자연현상을 기술 할 수 없으면 가치가 없다. 그 때문에 수학적으로 엄밀하지만 실험과는 맞지 않는 이론보다도, 수학적으로는 미지의 부분으로 있지만, 실험과 맞는 듯한 이론 쪽이 물리에서는 가치가 높다. 논리를 중시한다고 말해도, 그 정도 유연성은 가지고 있는 것이 물리학이다.

대학에서는 넓은 범위를 배우자

마지막으로, 대학을 선택할 때 주의할 것과 어드바이스를 적고자 한다.
먼저, 물리학의 모든 분야를 커버하는(모든 분야의 전문가가 있다) 대학은, 일본에도 외국에도 한곳도 없다라는 것이다.
예를 들어, 필자의 출신의 동경대학 이학부 물리학과는, 비교적 규모가 큰 학과이지만, 그렇다 하더라도, 전분야의 반도 커버하지 못한다고 생각한다. 필자도 소속되어 있었던 대학원(동경대학 대학원 이학계 연구과 물리학전공)은 약 130명 정도의 물리 선생님을 포함하는 거대한 전공자가 있지만, 그렇다하더라도 커버하고 있지 않는 분야도 적지 않다.
또한 예로 자기자신이 희망하는 분야의 선생님이 있다고 해도, 그 분야 중에 어떠한 분야를 어떻게 생각해서 연구하고 있는 가는 사람에 의해 가지가지이다.
게다가, 물리학은 고도로 발전했기 때문에 고등학생의 단계에서, 자기자신이 하고 싶은 분야를 결정하는 것은, 굉장히 어려운 일이라는 점도 강조해 두지 않으면 안 된다. 고등학생의 지식에서는, 모든 연구가 끝나버린 분야(예를 들어 특수상대론)의 연구를 하고 싶다라고 말하는 경향이 많기 때문이다.
대학교 4학년 때에 최선단에서 물리학을 배우거나 연구하거나 하는 것은 불가능 하다라는 것도 주의 해두지 않으면 안 된다. 확실하게 배우는 것은 기꺼해야 20세기전반까지의 물리학을 배우는 것이고, 최선단의 내용은 초보자를 대상으로 한 [이야기] 라고 해서 소개되고 있다.
그러므로, 본격적으로 물리학을 하기 위해서는, 대학원에 진학할 필요가 있다. 그리고 대학원의 문호는 넓게 개방되어 있고, 대학원진학의 시점에서 다른 대학으로 옮기는 일은 자유롭다(대학에 따라서, 타 대학의 대학원을 지원할 때 약간의 제한을 두는 경우도 있지만, 최종적으로는 개인의 자유에 있다.)
그렇기 때문에, 대학은 될 수 있는 한 넓은 범위를 커버하는 대학을 선택해두고, 그곳에서 물리학의 여러가지 분야를 배우거나 선생님에게 이야기를 듣는다거나 하면서 자기자신이 하고 싶은 분야를 결정해, 대학원에 진학하는 단계에서, 그 분야의 연구를 하고 있는 선생님이 있는 대학원에 진학하는 것도 좋다고 생각한다.

대학후의 진로

물리학을 사용하는 일에 취직하고 싶은 사람은, 대학원에 진학한다. 한편, 물리를 배우는 것을 몸에 익힌, 논리적이면서 실천적으로 여러 사물을 생각하는 것을 다른 일로 활용하려고 하는 사람은, 사회인이 된다. 그 경우에 취직하는 곳으로는, 메이커뿐만이 아니라, 정보산업, 은행, 공무원 등, 여러 갈래로 나뉘어 진다. 대학원에 진학한 사람이 수료 한 후의 진로는, 대학원 교원이라든가 연구자를 희망하는 사람이 많지만, 그 직업에 자리를 잡을까 어쩔 까는 본인의 노력과 재주 에 달려있다고 하겠다. 취직하는 곳을 까다롭게 고르지만 않는다면, 취직 때문에 곤란한 일은 좀처럼 없을 것이다.

모든 학과와 기술의 기초가 된다.

물리학과는, 수학, 화학, 생물학, 지학과 어깨를 나란히 하고 있으며, 이학부의 주력을 점하는 학과로서, 모든 학과와 기술의 기초로서, 문화적 ·사회적으로도 대학에서 지대한 영향력을 가진 학문이다. 대학에 있어서는, 자연과학 중에서도 매우 기초적인 학문인 물리학을 배우게 되면, 고등학교의 물리 공부가 얼마나 단편적이었던가를 알게 될 것이다. 대학의 물리는, 고등학교 물리의 연장선상에 있는 것이 아니라, 오히려 전혀 새로운 학문이라 생각하고 대처해 나아갈 필요가 있다고 하겠다.
물리과학과는, 고도과학기술의 기초가 되는 물리학과에 정통하고, 뛰어난 개발능력을 가진 기술자 ·연구자의 육성을 목적으로 하여, 물리학의 기초로서 역학이나 전자기학, 열역학 등의 고전물리학에서부터 양자역학, 통계역학, 상대론 등의 현대물리학에게까지 이어지는 폭넓은 분야의 지식을 익히는 것을 목표로 한다.
천문과학은, 현대천문학의 기초와, 그것을 기초로 한 우주관을 주체적으로 공부할 수 있는 인재의 육성을 목표로 하고 있다. 천체의 위치와 운동을 연구하는 분야로는 위치천문학이나 천체역학을 배우고, 천체의 물리상태나 진화를 연구하는 분야로는 태양물리학, 항성진화론, 은하천문학, 우주론 등을 배우게 된다.
지구혹성물리학과는, 고체지구, 대기 ·해양, 전자권 및 혹성간 공간에서 일어나는 어려가지 현상의 물리과정을 해명하고, 그런 것들의 물리과정의 상호작용에 의하여 유지되고 있는 지구 시스템 전체의 활동의 총합적 이해를 목표로 한다.

다른 학문분야를 융합하여 배우는 학과

이 외에도, 물리학뿐만 아니라 생물학이나, 화학, 수학, 환경과학 등, 다른 학문분야와도 융합시켜 공부하는 학과도 있다. 물리학, 생물학, 정보과학의 3분야를 융합시켜 교육 ·연구를 행하는 자연정보과학과, 환경과학을 중심으로 한 물리학이나 수학, 생물학의 기초를 배우고, 여러 가지 물질을 연구하는 물질생명과학과, 물성물리학, 소립자물리학, 우주물리학, 지구의 지권과 대기 ·해양권, 지질학, 고체지구물리학, 해양학, 대기해양물리학을 연구하는 물질지구과학과, 물리학을 기초로 한 물질 ·에너지 ·생명의 복합영역을 공부하는 물리생명시스템과학과, 수학, 물리학, 화학의 3가지 영역에서 사이언스와 테크놀리지의 융합을 도모하면서, 기초과학에 관한 폭넓은 지식의 연습과 문제해결을 목표로 하는 이학과, 수학 ·물리학의 연습과 연구를 통하여, 자연의 이론적 구조에 관한 이해를 깊게 하여, 문제해결능력을 높여주는 물리 ·수리과학 등이 있다.
또한, 최근 몇 년간 발전한 과학 ·기술의 기초를 이룩한 물성물리, 물질과학, 디바이스 물리, 정보물리를 중심으로 배우는 응용물리학과, 컴퓨터가 가진 가능성을 최대한으로 구사하고, 자연현상 근간의 과학 수법으로 선단과학기술분야부터 생명과학, 컴퓨터그래픽분야까지의, 여러 가지 분야에서 활약할 수 있는 인재를 육성하는 컴퓨터시뮬레이션 학과 등도 있다.