| Course Name | Year | Term | Period | Faculty / Graduate School | All Instructors | Credits |
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| 33790:Introduction to Special Relativity and Quantum Physics (T2) § 33791:Introduction to Special Relativity and Quantum Physics (T1) | 2024 | Spring | Wed2 | College of Science and Engineering | YABU HIROYUKI | 2 |
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Class Venue
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Course Outline and Method
科学においては実験観測によって確かめられたことのみが真実であるし、すべての知識は実験的に確かめられねばならない。それが科学の定義でさえある。Newton力学に代表されるそれ以前の物理では、空間・時間・物体などの基本的な部分を日常的な直感にたよっており、それらは観測によって確かめられることなく正しいと仮定されていた。20世紀に入り、光速度一定の法則が発見され、電磁気現象とNewton力学との不一致が明らかとなった。これを説明するため、EinsteinはNewton力学において仮定されていた時間・空間の考え方が観測と一致しないことを明らかにした。観測に基づく時間・空間概念を用いて作り上げられたのが特殊相対性理論である。また、熱現象と統計力学との矛盾から原子のようなミクロな世界の運動では粒子の位置や速度という概念そのものが変更されることになった。この理論も形式としては力学の形式に基づいているため、量子力学（quantum mechanics）とよばれる。Newton力学は精度の高い観測結果によって、その基本的な仮定の問題点が明らかとなり、修正されたのである。原子、原子核、素粒子といったミクロな世界の物理はいうまでもなく、物質の基本的な性質はもちろん天体や宇宙の構造が、相対論と量子論によって明らかになって行った。これはそれ以前の物理では理解不能であったのである。現代においては相対論や量子論が技術的に応用されており、それは我々の日常におよんでいる。原子や分子の量子論によって作動している原子時計は3000万年に1秒の驚異的な精度をもち相対論的な時間のおくれといった効果を補正しているが、我々はそれを電波時計という形で家庭にとりこみ、またGPSという形でnavigation systemや測量に利用しているのである。驚くべき科学技術の発展である。そして我々はすでにそういう時代に生きているのである。
この講義により皆さんが相対論と量子論について興味をもち、より進んだ理解をえるための出発点となることを希望します。
Student Attainment Objectives
Recommended Preparatory Course
Course Schedule
| Lecture/Instructor（When there are multiple instructors) | Theme |
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| Keyword, References and Supplementary Information | |
A1章：特殊相対性理論の物理的基礎 |
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特殊相対性理論の基本的な仮定、並進座標系とLorentz変換、Lorentz変換の物理的意味、時空の不変計量、Wignerブースト |
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A2章：Lorentz 群とその構造 |
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Lorentz群、Lorentz群の分類 |
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A3章：Minkowski 空間と絶対時空 |
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Minkowski空間、Minkowski空間の座標変換 |
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A4章：特殊相対論的運動学 |
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速度の変換、光行差、相対論と波動、 |
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A5章：相対論的質点の力学 |
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粒子の相対論的運動方程式、粒子のエネルギー、力学の共変形式 |
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B1章：光の粒子性---光は粒子だった--- |
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波動、光の波動性、光電効果、Einsteinの光量子仮説、Planck定数、Compton散乱、Youngの干渉実験、光子における粒子性と波動性、不確定性原理 |
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B2章：電子の波動性 |
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電子、電子の波動性、電子の運動の不確定性 |
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B3章：不確定性関係の応用 |
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調和振動子への不確定性関係の応用、水素原子への不確定性関係の応用 |
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B3章：確率振幅 |
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電子によるYoungの干渉実験、確率振幅、確率振幅による干渉実験の解析、電子のスリット通過を観測する干渉実験、確率振幅の規則 |
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B4章：波動関数とSchr\"odinger方程式 |
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波動関数、Schr\"odinger方程式 |
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付録：Heisenbergの顕微鏡による不確定性関係の思考実験 |
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スリットによるFraunhofer回折、光学機器の分解能、Heisenbergの顕微鏡実験 |
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付録：量子力学における経路積分（直感的説明） |
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Huygensの原理、二重スリット実験における経路と確率振幅、量子力学における確率振幅と作用、量子力学における経路積分 |
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以上の内容を15回の講義で行う。（講義回数は進行に応じて変化します。また付録は部分的にとりあげることがあります。） |
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Class Format
Recommendations for Private Study
Grade Evaluation Method
| Kind | Percentage | Grading Criteria etc. |
|---|---|---|
| Final Examination (Written) | 0 | 定期試験はありません（皆様に過度の負担をかけることなく定期試験を行う有効な方法を見出しえないため） |
| Report Examination (A report to be submitted by the unified deadline) |
0 | レポート試験はありません。レポート試験とレポートを混同しないようご注意ください。 |
| Exams and/or Reports other than those stated above, and Continuous Assessment (Evaluation of Everyday Performance in Class) |
100 | 上記の到達目標が達成されているかどうかについて、達成度を評価する。 |
Grade Evaluation Method （Note）
Advice to Students on Study and Research Methods
Textbooks
Textbooks （Frequency of Use, Note）
Reference Books
| Title | Author | Publisher | ISBN Code | Comment |
|---|---|---|---|---|
| 相対論（共立全書） | 後藤憲一 | 共立出版 | 4320001958 | 入門的によく書けている、絶版 |
| ファインマン物理学I | ファインマン, レイトン, サンズ | 岩波書店 | 4000077112 | 特殊相対性理論のみごとな解説を含む |
| 相対性理論 上下 | W. パウリ | ちくま学芸文庫 | 448009119X, 4480091203 | 入門的ではないが芸術的な本 |
| 詳解物理学演習 下 | 後藤, 西山, 山崎 | 共立出版 | 4320030125 | 相対論と量子論の入門的な演習を含む |
| ファインマン物理学V | ファインマン, レイトン, サンズ | 岩波書店 | 4000077155 | 量子論のみごとな解説 |
| 量子力学の一般原理 | W. パウリ | 講談社 | ない? | 入門的ではないが芸術的な本、絶版 |
| 理論熱学 | プランク | 裳華房 | ない | 量子論の創設者による古典から現代への魂の遍歴は感動的、東京大空襲で版が焼失。図書館から毎年入手できませんといわれてきたのですが、いつのまにか手に入れたらしい。感謝 |
Reference Books （Frequency of Use, Note）
Web Pages for Reference
How to Communicate with the Instructor In and Out of Class(Including Instructor Contact Information)
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