数理物理とは? わかりやすく解説

数理物理学

(数理物理 から転送)

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2023/10/11 15:01 UTC 版)

数理物理学(すうりぶつりがく、英語: mathematical physics)は、数学物理学の境界を成す科学の一分野である。数理物理学が何から構成されるかについては、いろいろな考え方がある。典型的な定義は、Journal of Mathematical Physicsで与えているように、「物理学における問題への数学の応用と、そのような応用と物理学の定式化に適した数学的手法の構築」である[1]

数理物理には、関数解析学量子力学幾何学一般相対性理論組み合わせ論確率論統計力学可積分系などが含まれる。最近では弦理論が、代数幾何学トポロジー複素幾何学などの数学の重要分野と交流を持つようになってきている。

研究領域

数理物理学にはいくつか独立した領域があり、特定の時代とおおよそ対応する。偏微分方程式論(及び変分法フーリエ解析ポテンシャル理論、ベクトル解析など)は、数理物理学に最も関連の深い領域であるといえる。これらは(ジャン・ル・ロン・ダランベールレオンハルト・オイラージョゼフ=ルイ・ラグランジュなどによって)18世紀後半から1930年代までに集中して構築された。これらの物理的応用には、流体力学天体力学弾性理論振動理論熱力学電磁気学空気力学などが含まれる。

原子スペクトルの理論、(及び後の量子力学)は、線型代数学、作用素のスペクトル理論、さらには関数解析学などの数学的分野とほとんど同時に発展した。これらは数理物理学の別な領域を構成している。

特殊相対性理論一般相対性理論は、若干異なった種類の数学を必要とする。群論場の量子論微分幾何学において重要な役割を果たしたが、しだいに宇宙論場の量子論の数学的表現としてのトポロジーによって置き換えられた。

統計力学は、より数学的なエルゴード理論確率論の一部と深く関連している。

用語としての'数理物理学'の使い方は、人によって異なることがある。物理学の発展から生まれた数学は、他の関連領域と異なり、数理物理学の一部とはみなされないこともある。例えば、力学系解析力学は数理物理学に属するのに対して、常微分方程式シンプレクティック幾何学は純粋に数学的な領域と考えられている。

著名な数理物理学者

数学的に厳密な物理学としての数理物理学

'数理' 物理学の用語は、物理学上の問題を数学的に厳密な枠組みによって研究し、解決する仕事を指して用いられることもある。この意味での数理物理学には、純粋数学と物理学に共通する広範な領域が含まれる。理論物理学にも関連するものの、この意味での数理物理学は、数学において見られる厳密さと同等に厳密であることを重視する。一方理論物理学は、観測や、理論物理学者(や、より一般的な意味での数理物理学者)による発見直観、近似的な議論の助けを必要とする実験物理学とのつながりを重視する。議論の余地はあるが、厳密な数理物理学はより数学に近く、理論物理学はより物理学に近いといえる。

このような数理物理学は、物理学の理論を拡張し、解明することを目的とする。厳密さが要求されることから、これらの研究者は、理論物理学者が既に解決済みと考えるような問題に取り組むことも多い。しかしながら、(簡単ではないが)このような研究によって、以前に得られた結論に誤りが発見されることもある。

この領域は、(1)場の量子論の厳密な定式化、(2)相転移の理論をはじめとする統計力学、(3)原子・分子物理学との関連を含む非相対論的量子力学(シュレーディンガー作用素)に大別される。

数学的に厳密な物理理論の構築に向けた努力は、さまざまな数学的発展の基礎となった。例えば、量子力学と関数解析学の一部は、相互に影響を与えつつ発展している。量子統計力学の数学的研究は、作用素環論における成果を生んだ。幾何学トポロジーの利用は、弦理論において重要な役割を果たした。これらはほんの一部である。現在の研究に関する文献を調べれば、同様な事例を多数見つけることができる。

脚注

  1. ^ Definition from the Journal of Mathematical Physics.アーカイブされたコピー”. 2006年10月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2005年10月14日閲覧。
  2. ^ Thiele, Rüdiger (August 2005), “In Memoriam: Matthias Schramm, 1928–2005”, Historia Mathematica 32 (3): 271–274, doi:10.1016/j.hm.2005.05.002 
  3. ^ Mariam Rozhanskaya and I. S. Levinova (1996), "Statics", p. 642, in (Morelon & Rashed 1996, pp. 614–642)

参考文献

古典

  • Abraham, Ralph; Marsden, Jerrold E. (2008), 'Foundations of mechanics: a mathematical exposition of classical mechanics with an introduction to the qualitative theory of dynamical systems' (2nd ed.), Providence, [RI.]: AMS Chelsea Pub., ISBN 9780821844380 
  • Arnold, Vladimir I.; Vogtmann, K.; Weinstein, A. (tr.) (1997), 'Mathematical methods of classical mechanics / [Matematicheskie metody klassicheskoĭ mekhaniki]' (2nd ed.), New York, [NY.]: Springer-Verlag, ISBN 0-387-96890-3 
  • Courant, Richard; Hilbert, David (1989), 'Methods of mathematical physics / [Methoden der mathematischen Physik]', New York, [NY.]: Interscience Publishers 
  • Glimm, James; Jaffe, Arthur (1987), 'Quantum physics: a functional integral point of view' (2nd ed.), New York, [NY.]: Springer-Verlag, ISBN 0-387-96477-0  (pbk.)
  • Haag, Rudolf (1996), 'Local quantum physics: fields, particles, algebras' (2nd rev. & enl. ed.), Berlin, [Germany] ; New York, [NY.]: Springer-Verlag, ISBN 3-540-61049-9  (softcover)
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  • Titchmarsh, Edward Charles (1939), 'The theory of functions' (2nd ed.), London, [England]: Oxford University Press  (This tome was reprinted in 1985.)
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  • Weyl, Hermann; Robertson, H. P. (tr.) (1931), 'The theory of groups and quantum mechanics / [Gruppentheorie und Quantenmechanik]', London, [England]: Methuen & Co. 
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学部生向けの参考書

  • Arfken, George B.; Weber, Hans J. (1995), 'Mathematical methods for physicists' (4th ed.), San Diego, [CA.]: Academic Press, ISBN 0-120-59816-7  (pbk.)
  • Boas, Mary L. (2006), 'Mathematical methods in the physical sciences' (3rd ed.), Hoboken, [NJ.]: John Wiley & Sons, ISBN 9780471198260 
  • Butkov, Eugene (1968), 'Mathematical physics', Reading, [Mass.]: Addison-Wesley 
  • Jeffreys, Harold; Swirles Jeffreys, Bertha (1956), 'Methods of mathematical physics' (3rd rev. ed.), Cambridge, [England]: Cambridge University Press 
  • Mathews, Jon; Walker, Robert L. (1970), 'Mathematical methods of physics' (2nd ed.), New York, [NY.]: W. A. Benjamin, ISBN 0-8053-7002-1 
  • Stakgold, Ivar (c.2000), 'Boundary value problems of mathematical physics (2 vol.)', Philadelphia, [PA.]: Society for Industrial and Applied Mathematics, ISBN 0-898-71456-7  (set : pbk.)

各論

  • Aslam, Jamil; Hussain, Faheem (2007), 'Mathematical physics' Proceedings of the 12th Regional Conference, Islamabad, Pakistan, 27 March - 1 April 2006], Singapore: World Scientific, ISBN 978-981-270-591-4, http://www.worldscibooks.com/physics/6405.html 
  • Baez, John C.; Muniain, Javier P. (1994), 'Gauge fields, knots, and gravity', Singapore ; River Edge, [NJ.]: World Scientific, ISBN 9-810-22034-0  (pbk.)
  • Geroch, Robert (1985), 'Mathematical physics', Chicago, [IL.]: University of Chicago Press, ISBN 0-226-28862-5  (pbk.)
  • Polyanin, Andrei D. (2002), 'Handbook of linear partial differential equations for engineers and scientists', Boca Raton, [FL.]: Chapman & Hall / CRC Press, ISBN 1-584-88299-9 
  • Polyanin, Alexei D.; Zaitsev, Valentin F. (2004), 'Handbook of nonlinear partial differential equations', Boca Raton, [FL.]: Chapman & Hall / CRC Press, ISBN 1-584-88355-3 
  • Szekeres, Peter (2004), 'A course in modern mathematical physics: groups, Hilbert space and differential geometry', Cambridge, [England] ; New York, [NY.]: Cambridge University Press, ISBN 0-521-53645-6  (pbk.)
  • Yndurain, Francisco J (2006), 'Theoretical and Mathematical Physics. The Theory of Quark and Gluon Interactions', Springer, ISBN 978-3-540-33209-1  (pbk.)

和書

関連項目

外部リンク


数理物理

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負の確率」の記事における「数理物理」の解説

1942年ポール・ディラック論文量子力学物理的解釈」に負のエネルギー負の確率概念登場する負のエネルギー負の確率ナンセンスな概念考えてならない充分に定義され数学概念であるからだ、負の金額のように。 負の確率概念は後に物理学量子力学関心をひくようになるリチャード・ファインマンは-3個のリンゴ現実有効な概念ではないように、負の数計算で使う物体はない、ただし負の金額有効だが、と議論した。さらに彼は負の確率が、1以上確率計算有用かもしれない論じた。 マーク・バーギンは異なる例を挙げている。 英語に通じA氏テキストTを書いていると考えてみたい。テキストT中に「texxt」や「wrod」が現れる確率いかほどか。通常の確率論によれば0である。しかし、弘法も筆の誤り誤植生じることもある。だがすぐに訂正されるにちがいない。確率論拡張してテキストT中に「texxt」が出現する確率を-0.1とする。これは「texxt」が誤植生じことがあるが、訂正され現在のテキストT中にはないことを意味する。" —Mark Burgin、Burgin, Mark (2010年). “Interpretations of Negative Probabilities”. arXiv:1008.1287 [physics.data-an]. それからしばらく、負の確率はいくつかの問題矛盾を解くために提案された。2005年のG.J.セーケイによる半分コイン簡単な例である。このコイン無限に多く側面持ちそれぞれの面に0,1,2,...と番号振ってあり、正の偶数出現負の確率をとる。2枚の半コインを弾くと合計それぞれ確率1/2で0か1であるから通常のコイン1枚弾いたのと同じである。 「非負定義関数畳み込み係数」と「代数確率論」 の中でルージャとセーケイは、確率変数Xが負の確率を含む符号確率分布または擬確率分布をもつとき、確率変数Xは X+Y=Z として2つ独立した確率変数YとZを伴うことを証明した。X=Z-Y であるから、Xは2つ確率変数ZとYの「差分」ととらえられる。YがXの測定誤差観測値がZのとき、Xの分布のうちの負の部分誤差Yによって隠れのである

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