名物研究室・授業紹介

　地球内部の構造と進化を、物理学を基に研究しています。私たちが住む地 球は誕生から46億年間、ダイナミックに変動してきました。地球内部の変動はしばしば私たちの住む表層環境に重大な影響を与えますので、地球内部を 理解することは、生命の進化と持続可能性を考える上でも大きな意義を持っています。地球内部の構造はどうなっているのか？どのような過程を経て現在の 生命を宿す地球へと進化していったのか？そういった疑問に答えるために、私たちの研究室では、高圧力発生装置、放射光X線、分光測定、ナノスケール微細加工装置、電子顕微鏡などさまざまな実験・測定手法を用い、地球内部環 境における物質の性質を研究しています。得られた実験結果と観測データを組み合わせ、地球の過去と未来の姿を明らかにすることを目指しています。 

　量子力学誕生以前の物理学は、力学・電磁気学および熱力学を柱とする統一的な体系により自然現象を理解していました。しかし、原子や分子などの微小な粒子が活躍するミクロな世界への扉が開かれたことにより、これまでの科学的思考とは全くかけ離れた記述体系が必要となってきました。日常生活により培われた常識とは相容れない抽象的な理論体系にもとづく量子力学は、その神秘性とは対照的に、最先端の物理学や現代および未来のテクノロジー社会を支える重要な要素となっています。本講義では、神秘的な現象の代表例であるトンネル効果や量子力学誕生の契機となった水素原子の取り扱い、さらには、物性科学・化学における重要概念でもあり、また、量子コンピュータの基礎要素にもなっているスピンについて深く学びます。

　物理学とは自然科学のひとつであり、自然のあらまし、その背後に潜む法則を解明しようとする学問です。自然を対象にするため、自然現象を詳細に観察したり、自然に対してこちらから働きかけた結果を調べたりすることが必要不可欠です。これは自然の声に耳を傾け、こちらから語りかけるという意味で「自然との対話」です。大昔の夜空の星の動きや弦をつまびく音の観測も、現代の最新の測定器やコンピュータを用いた計測も根源的には同じ「自然との対話」です。物理学科の2・3年次では専門的な物理実験を学びます。自転車をこいで人間の仕事率を測る力学的なテーマから、電気回路、放射線、光学、電磁気、熱力学、電子顕微鏡、量子的な実験まで多くの分野のテーマが揃っており、「自然と対話」するさまざまな方法を習得できます。

　「基礎物理学実験」は、理工学部の1 年生全員を対象とした必修科目です。この授業では、「体積の測定」「ヤング率と音速の測定」「金属の融点の測定」「電圧、電流、抵抗等の測定」「空気の屈折率の測定」「スペクトル線の測定」といった基本的なテーマを取り上げ、その現象をわかりやすく理解するための実験を行っています。
　たとえば「体積の測定」では、“物差し”の一種である「ノギス」と、「マイクロメータ」を使って、実際に物を測定します。“ 物差し” の使い方というと非常に簡単なことだと思われるかもしれませんが、副尺の読み方、有効数字の扱い方など、器具を正しく使うためにはルールを理解しなければなりません。これを知らないと、物を測定するときに正しい値が出せません。あるテーブルと同じものをつくろうとしても、測定した値が間違っていれば同じものにはならないのです。
　また、視覚的に物理現象に触れることのできる実験もあります。「ヤング率と音速の測定」では、コルクの粉末を敷き詰めて密閉したガラス管を用いた「クントの実験」を行います。この管内の空気を振動させると、空気の振動がコルクの粉末に伝わり、音波の形が現れます。
　このように、各自が実験装置に直接ふれ、測定を行いながら物理の基本を学ぶのが基礎物理学実験の目的です。自分の手で行った「実験」を通じて物理現象を「見て」「体感する」ことは、理系の考え方の根幹を成す非常に大切なことです。ものづくりの現場では、技術職でも営業職でも専門知識があるだけではいい仕事はできません。ものごとの本質、理論を理解してこそいい仕事ができる。基礎物理学実験は、「理学と工学の融合」という概念の土台をつくる授業といっていいでしょう。