カリキュラム
- ［］内の数字は単位数 カリキュラムは一部変更の可能性があります。
必修科目
1年次
基礎物理学実験I
物理学を極めるには、様々な現象の中に潜む物理法則を、実験を通じて導き出すことが必要です。実験を行ってその結果を他の人に伝えるためには、互いに理解出来る手法を用いなければなりません。この科目では、基本的な物理学実験を行いながら、得た結果を正確に伝えるための手法を学びます。
力学I
物理学の基礎である力学を初歩から学びます。高校で習った力学とは違い、微分方程式の観点から運動方程式を取り扱います。質点の運動について、力と仕事、力学的エネルギーなどの概念がすべて運動方程式から導かれることを体系的に学びます。さらに万有引力による惑星の運動、ケプラー問題についても学びます。
2年次
ミクロの物理学
原子や分子のふるまいを表す力学は20世紀の初めに誕生し、「量子力学」と呼ばれています。ミクロな世界を支配する力学がどのように生み出されたか、光の波動性から出発し、過去の発見や実験事実など、歴史を追いながら学んでいきます。
振動と波動
振動はばねの振動のように物体が平衡点を中心として運動することであり、波動は波のように振動が空間を次々と伝わる現象です。また、全ての物質は粒子的な性質と波動的な性質の両方を持つという考え方が、物理学を大きく進歩させました。したがって、現代物理学を学習する上で振動と波動現象を理解することは非常に大切です。この科目は、振動と波動に関して基礎から詳しく数理的に理解するとともに、様々な波動現象を理解することを目指します。
電磁気学I
雷雲が近づいたとき自動車の中に入ると安全なのはどうしてでしょうか。また、オーロラはなぜ緯度の高い場所でないとみえないのでしょうか？電磁気学Iでは、時間変化しない電磁場の局所的な性質に注目し、電磁場が満たすべき条件（マックスウェル方程式）を導きます。そして、マックスウェル方程式により、これらの電磁気的現象を統一的に説明する方法を学びます。
基礎物理学実験II
基礎物理学実験IIでは「電子の比電荷の測定」、「コンデンサーの充放電」、「放射線の測定」などの実験を行って、物理学の様々な分野を体験的に学習します。また、レポートを書くことによって他者に自分の考えを伝える訓練を行います。
3年次
量子力学I
ごく最近まで量子力学は単なる学問的な重要性のために勉強する必要がある学問でした。ところが、最近では量子コンピュータや量子センサなど量子力学を基礎とする技術が実用性を持ち始めています。2019年には50量子ビットを持った量子コンピュータの実現が期待されており、いわゆるquantum supremacy がもう少しで確認されそうです。そのような未来の技術の基礎である量子力学を学びます。
統計力学I
自然界に存在する物質は非常に多数の分子や原子が集まってできており、これらのミクロな運動が物質の性質（物性）を決めています。多数のミクロ粒子の運動の統計的平均を求めることによって、分子や原子の運動を圧力や温度といったマクロの世界の物理量に関連付けることが統計力学の目的です。本講義ではボルツマン、ギブス等によって築かれた古典統計力学を学びます。
卒業研究ゼミナール
4年次の「卒業研究」に必要となる基礎知識をセミナーや実習を通じて学びます。3年次の前半に希望する研究室を決め、3年後期の学期開始前に研究室配属が決まります。配属人数は数名です。大きく分けると素粒子理論、素粒子実験、宇宙論・相対論、宇宙・宇宙線実験、物性理論、物性実験、その他の7分野があります。
4年次
卒業研究
3年次までに学んだ物理学の基礎知識を土台にし、自分で選んだ研究テーマに関する研究を1年かけて行います。まず4年次の秋に行われる中間発表会で進捗状況を報告し、さらに2月に行われる卒業研究発表会で研究成果を発表し、結果を卒業論文としてまとめます。1年間の研究活動を通じて、研究調査、科学論文の読解や記述、また発表や討論に必要な能力を身につけます。過去の卒論テーマは「歴代卒業研究発表会」を参照下さい。
選択科目
1年次
物理数学I
自然界における物理法則は数学という言葉で表現されているため、物理を理解するためには数学を使いこなすことが必要です。この講義では、学部で学ぶ物理学に必要な数学を学び、計算できる力を養います。大学数学で初めて現れる、関数のテイラー展開、多変数関数の偏微分と重積分などを学習します。
物理数学II
自然界における物理法則は数学という言葉で表現されているため、物理を理解するためには数学を使いこなすことが必要です。この講義では、学部で学ぶ物理学に必要な数学を学び、計算できる力を養います。大学数学で初めて現れる、常微分方程式の解法とその物理学への応用、行列と行列式とその物理学への応用について学習します。
物理学最前線
物理学コース教員の最新の研究テーマに関する分かりやすい講義を行います。「暗黒宇宙の謎」、「素粒子実験の最前線」、「超伝導現象」、「生命を担う分子マシン」、「量子シミュレーション」など様々な魅力あるテーマをそろえています。
プログラミング基礎
コンピュータを用いることで、様々な物理現象を再現したり予測することが出来ます。でも、そのような用途に用いるプログラムは、自分で作成する必要があります。そのためにはプログラム言語を理解しなければなりません。この科目では、物理現象を再現するプログラムを、Ｃ言語を用いて作成するための基礎を学びます。この科目で修得した内容は、計算物理学I、IIで役に立ちます。
力学解法I
物理学の基礎である力学を初歩から学びます。高校で習った力学とは違い、微分方程式の観点から運動方程式を取り扱います。質点の運動について、力と仕事、力学的エネルギーなどの概念がすべて運動方程式から導かれることを体系的に学びます。さらに万有引力による惑星の運動、ケプラー問題についても学びます。
2年次
物理数学III
3次元のベクトル解析と複素解析の初歩を学びます。ベクトル解析は電磁気学を学ぶ上で、複素解析は量子力学を学ぶ上で大変重要な役割を果たします。これらの数学的方法を自在に使いこなせることは、将来の勉学で重要な意味を持ってきます。
電磁気学解法I
電磁気学解法Iでは、時間変化しない電磁気的現象に関する様々な問題を解くことによって、問題の解法を身に付けます。アクティブラーニング方式を採用し、学生同士で学びあうことによって、より深い「学び」を達成します。
電磁気学解法II
時間的に変化する磁気的、電気的な現象の理解を深めます。携帯電話で通話できるのも、この理解があるからです。また、ここでは場の概念を学びます。場の概念はファラディーが提案した様々な現象を直感的に理解するための考え方であり、理解を助けるためのものです。電磁気学IIでは、場を扱う上で必要な数学もしっかりと学びます。
振動と波動解法
振動はばねの振動のように物体が平衡点を中心として運動することであり、波動は波のように振動が空間を次々と伝わる現象です。また、全ての物質は粒子的な性質と波動的な性質の両方を持つという考え方が、物理学を大きく進歩させました。したがって、現代物理学を学習する上で振動と波動現象を理解することは非常に大切です。この科目は、振動と波動に関して基礎から詳しく数理的に理解するとともに、様々な波動現象を理解することを目指します。
計算物理学I
計算機を用いて物理現象を記述する方程式を解く際に必要となる数値計算の基礎について学習します。そして、数値計算のプログラムを作成することによりプログラミングの理解を深めることを目指します。
計算物理学II
近年コンピュータの性能の著しい発展により、これまで人間の手では計算できない規模の方程式を計算機を用いて解く事が可能となりました。この講義では「プログラミング基礎」「計算物理学I」で学習した内容をさらに発展させ、計算機による「数値実験」で物理現象を理解することを目的とします。 とくに、乱数を用いたモンテカルロシミュレーションやニュートン方程式を数値解法を学びます。
データ解析
統計の基礎および実験計画の概念を理解するために、実験データの解析に重点を置く講義をします。講義では主に、統計的な手法について学び、実際の実験データを用いた解析を行う事でより応用の広いデータの扱いができるようにします。実験トピックスではデータの扱いだけでなく、実験の方法や特色などの技術的話題にも触れます。
ミクロの物理学解法
原子や分子のふるまいを表す力学は20世紀の初めに誕生し、「量子力学」と呼ばれています。ミクロな世界を支配する力学がどのように生み出されたか、光の波動性から出発し、過去の発見や実験事実など、歴史を追いながら学んでいきます。
物理数学IV
物理数学IIIで学んだ複素解析の基礎を発展させ、留数や留数を使った実数関数の積分を学びます。一見無関係な複素解析学と実数関数の積分が、驚くような方法で結びつきます。後半は、周期現象を記述するフーリエ級数理論と、それを非周期現象に拡張したフーリエ変換を学びます。応用として、物理学に現れる偏微分方程式の解き方などを学びます。
力学II
力学Iを受けて、運動座標系における運動の法則、慣性力、コリオリ力を学んだ後、剛体の運動をどのように記述するか（ヨーヨーの運動など）、波動現象、流体の力学など、力学が活躍する広範な話題について学びます。
電磁気学II
時間的に変化する磁気的、電気的な現象の理解を深めます。携帯電話で通話できるのも、この理解があるからです。また、ここでは場の概念を学びます。場の概念はファラディーが提案した様々な現象を直感的に理解するための考え方であり、理解を助けるためのものです。電磁気学IIでは、場を扱う上で必要な数学もしっかりと学びます。
熱力学
熱力学とは、一般的なマクロな系を対象にして、平衡状態の性質、平衡状態の間の任意の操作による移り変わり、そしてその際のエネルギーのやりとりについて、定量的な関係を導く学問です。19世紀半ばの、まだ物質が分子や原子からできているという事実を知らない時代に確立され、後にミクロな系を記述する「統計物理学」の基盤となりました。本講義では力学的な仕事を主役にした操作的な視点から、熱力学の意味することを考えます。
物理学実験I
基礎物理学実験I、IIの土台の上に、物理学の各分野で一層深く自然の真実を探求するために行われる専門的な実験の手法や考え方、そして高度な知識を知るための実験実習をします。それぞれ専門分野が異なる複数の担当者が指導を行い、現代物理学が自然を理解するために行ってきた実験を体験し、自分自身で実験を計画することができる能力を養成します。
エレクトロニクス
家庭にある炊飯器などの機器でも、最先端の実験に使われる測定装置でも、同じことを行っています。それは、温度や圧力などの物理量を電気信号に変換し、増幅やフィルタリングなどの処理を行った上で測定し、それらの情報に基づいて機器の制御を行うことです。従って、エレクトロニクスの理解は実験を行う上だけでなく、日常の生活を豊かにする上でも大切なことです。そのようなエレクトロニクスの理解を深めます。
解析力学
微積分を含む数学「解析学」を使って古典力学の問題を解きやすくします。ベクトルではなく、物体の経路で決まるスカラー量を使うと、どんな座標に対しても座標によらず同じ式で運動を表せます。また、位置と運動量をそれぞれ独立な座標と考え、両者を座標軸とする「空間」で決まるスカラー量を用いても同様に同じ式で運動を表せます。これらの考え方は現代物理学(統計力学、量子力学、相対論、場の量子論)の基礎となっています。
3年次
量子力学解法I
この科目は量子力学Iと連動していて、この科目だけを取る意味はありません。かならず、量子力学Iとセットにして履修してください。
量子力学II
ニュートンの力学とマックスウェルの電磁気学によると、水素原子の中で陽子の周りを回る電子は、わずか10の-11乗秒程度の一瞬で光を放出しながら真ん中に落ち込んでしまいます。我々の体を含めてあらゆる物質の大きさは瞬時にほぼゼロになってしまうと言えるでしょう。このような古典物理学の破綻を救うのが20世紀初めに現れた量子力学です。授業では数学的にも物理学的にも高等学校のレべルの復習からはじめて、量子力学の数学的構造や確率解釈、不確定性原理などの物理学的内容を一歩一歩ていねいに学んでいきます。
量子力学解法II
ニュートンの力学とマックスウェルの電磁気学によると、水素原子の中で陽子の周りを回る電子は、わずか10の-11乗秒程度の一瞬で光を放出しながら真ん中に落ち込んでしまいます。我々の体を含めてあらゆる物質の大きさは瞬時にほぼゼロになってしまうと言えるでしょう。このような古典物理学の破綻を救うのが20世紀初めに現れた量子力学です。授業では数学的にも物理学的にも高等学校のレべルの復習からはじめて、量子力学の数学的構造や確率解釈、不確定性原理などの物理学的内容を一歩一歩ていねいに学んでいきます。
統計力学解法I
自然界に存在する物質は非常に多数の分子や原子が集まってできており、これらのミクロな運動が物質の性質（物性）を決めています。多数のミクロ粒子の運動の統計的平均を求めることによって、分子や原子の運動を圧力や温度といったマクロの世界の物理量に関連付けることが統計力学の目的です。本講義ではボルツマン、ギブス等によって築かれた古典統計力学を学びます。
統計力学II
古典統計力学では分子や原子の運動はニュートン力学にしたがって運動していると仮定しました。しかし、ミクロの世界では粒子は量子力学にしたがって運動するので、その効果をきちんと取り入れて議論しなければなりません。統計力学Iで学んだ熱力学、古典統計力学の続きとして、統計力学IIでは、物質中の電子の集団的ふるまいを記述する量子統計力学や相転移現象を学びます。さらに統計力学が物性物理の分野にどのように応用されているかについても学びます。
統計力学解法II
古典統計力学では分子や原子の運動はニュートン力学にしたがって運動していると仮定しました。しかし、ミクロの世界では粒子は量子力学にしたがって運動するので、その効果をきちんと取り入れて議論しなければなりません。統計力学Iで学んだ熱力学、古典統計力学の続きとして、統計力学IIでは、物質中の電子の集団的ふるまいを記述する量子統計力学や相転移現象を学びます。さらに統計力学が物性物理の分野にどのように応用されているかについても学びます。
素粒子物理学
物質の基本的構成単位である素粒子とそれらの基本的相互作用の理解は、はるか昔から人類の知的探求の対象となって来ました。本講義は、現代の最先端の素粒子像を解説し、その基本的な考え方を理解してもらうことを目的としています。
宇宙物理学
宇宙論とは、いれものとしての時空と中身である天体を合わせた全体としての宇宙の性質を研究する学問分野です。私たちの宇宙は一体どうやって始まり、どのように進化し、どのような姿へ変貌するのでしょうか？観測可能なもっとも大きな距離や時間スケール（＝宇宙論的スケール）で起きるさまざまな現象を力学、電磁気学、統計力学、量子力学、相対論などの物理学を用いてモデル化し、私たちの宇宙の過去・現在・未来の姿を明らかにします。
物性物理学
銅の結晶は電気を良く通す金属ですが、消しゴムは電気を通さない絶縁体です。そのほかに半導体という中間のもの、さらには電気抵抗がゼロの超伝導物質というものもあります。多数のイオンと電子が集まってできているだけの物質ですが、なぜこのような大きな違いが現れるのでしょうか？ 授業では様々な物質のいろいろな物理的性質が、量子力学、統計力学の考え方を使っていかに明快に説明・理解できるのかをじっくりと見ていきます。
物理学実験II
物理学実験Iで修得した物理実験技術を発展させ、より高度な実験課題（放射線、宇宙線、シミュレーションなど）を体験し、実験やシミュレーションの応用的技術・考え方を学びます。あわせて自らの考えを提示する練習として、実験報告書の執筆、発表等も行います。
放射線物理学
電子線やイオン線などの放射線計測は、原子分子・原子核・素粒子・宇宙線の各分野における実験物理学的探求にたびたび使用されています。また近年、新素材開発、宇宙探査、環境科学、生命科学、農学、医療診断、考古学など幅広い分野で応用されています。代表的な放射線の基礎を学び、それぞれの検出の原理について明らかにします。
相対論
運動する物体の速さが光の速さに近くなると、ニュートン力学(古典力学)では運動を記述できなくなります。このような状況では時間は空間と一体となり時空とよばれる4次元の世界が現れます。講義では光速に近い速さで動く物体の長さが縮むことや、時間の流れが遅くなることなどを学びます。
科学論文
英語で書かれた物理学に関する教科書や論文の読み方を学んだ後、電子メール、レポート、論文などの専門的な文章を英語で書く訓練を行います。特に物理学や数学で使われる専門用語や表現法を学び、英語によるレポートやプレゼンテーションの作成を通じて、英語で情報発信する訓練を行います。
4年次
現代物理学I
線形代数は量子力学など、さまざまな物理学の分野の基礎となります。現代物理学IVでは線形代数と量子力学の両方を学習した人を対象に、線形代数を量子力学の道具を使って再構成し、それを量子力学にフィードバックすることを学びます。応用として量子暗号鍵配布や量子テレポーテーションなど、量子情報の最新の話題をいくつか紹介します。
現代物理学II
私たちの宇宙は何から出来ているのでしょうか？また、宇宙はどうやってはじまり、どのように進化し、どのような姿を迎えるのでしょうか？宇宙をみたす謎の物質「ダークマター」や斥力を生み出す「ダークエネルギー」、銀河の集まりである銀河団などの構造形成、「ダークマター」を調べることのできる重力レンズなど宇宙論に関する最新のテーマを学びます。（3年次「宇宙物理学」の続編です。）
現代物理学III
講義では現代物理学における複数のテーマをピックアップし、知的好奇心を刺激する話を取り上げます。光の本性に付いての考察と物質による光の散乱、高エネルギー宇宙ガンマ線物理学などの講義を行います。
現代物理学IV
多数の原子と分子が集まって構成される「凝縮体」が示す多彩な現象をミクロな視点に基づいた量子統計力学を用いて解明する方法を学びます。超伝導、超流動、磁性体の物理を例にして講義を進めます。
現代物理学V
特殊相対論の復習から始め、一般相対論が基づく2つの原理、「等価原理」と「一般相対性原理」により、いかにして一般相対論が構成されるのか、またその応用としてブラックホールについて数学的な面も含めて理解することを目的としています。