ファインマン物理学

引用

Feynman, R. P., Leighton, R. B., & Sands, M. (1989). The Feynman Lectures on Physics. Addison-Wesley. 無料オンライン版：https://www.feynmanlectures.caltech.edu/

章の要約

本書は全3巻からなる。第I巻（52章）は力学・放射・熱、第II巻（42章）は主に電磁気学と物質、第III巻（21章）は量子力学を扱う。もとになったのは、ファインマンが1961〜1963年にカリフォルニア工科大学（Caltech）の1・2年生に行った入門課程で、箱入りの3巻セットは約1,550ページに及ぶ。以下の区分は目次に沿ったもので、章題も目次の表記にならっている。

第I巻 第1–7章：原子の運動／基礎物理学／物理学と他の科学との関係／エネルギー保存／時間と距離／確率／重力の理論

冒頭の章は、体系的な展開に入る前に物理学を見渡す。物質の原子像、物理学が他の科学の中で占める位置、エネルギー保存、時間と距離の測り方、確率、そして重力である。このうち第1–4章と第7章は、一般読者向けに主要なテーマをおもに定性的に提示した『Six Easy Pieces』として後に再刊された6章に含まれている。

第I巻 第8–25章：運動／ニュートンの力学法則／運動量保存／ベクトル／力の性質／仕事とポテンシャルエネルギー／特殊相対性理論／相対論的エネルギーと運動量／時空／2次元の回転／重心と慣性モーメント／3次元の回転／調和振動子／代数／共鳴／過渡現象／線形系と復習

力学のまとまりは、運動とニュートンの法則から始まり、運動量、ベクトル、力、仕事（ポテンシャルエネルギーは2章を使う）へと進む。続いて3章にわたって特殊相対性理論を扱い、そのあと回転と振動に戻る。第22章「代数」は振動の章の間に置かれた数学の幕間であり、第25章は線形系の復習でこのまとまりを締めくくる。

第I巻 第26–36章：光学と放射

第26–36章は、「光学：最短時間の原理」と「幾何光学」から始まり、電磁放射、干渉、回折、屈折率の起源、放射減衰と光の散乱、偏光、放射における相対論的効果を経て、「色覚」と「見るしくみ」で終わる。

第I巻 第37–46章：量子的振る舞い／気体分子運動論と熱力学

量子的振る舞いと、波動的見方と粒子的見方の関係は、すでに第37–38章に現れる。残りの章は、気体分子運動論、統計力学の原理、ブラウン運動、拡散、熱力学の法則とその例解、そして「ラチェットと爪」へと向かう。

第I巻 第47–52章：音と波動、対称性

音と波動方程式、うなり、モード、調和振動、波動が巻を閉じ、最後に第52章「物理法則における対称性」が置かれる。第52章は、「ベクトル」、相対論の3章、第II巻の「曲がった空間」とともに『Six Not-So-Easy Pieces』に収められた章である。

第II巻 第1–12章：電磁気学、ベクトル解析、静電気学と誘電体

第II巻は概観の章「電磁気学」で始まり、場の数学を扱う2章「ベクトル場の微分」と「ベクトル積分」が続く。そのあと静電気学（ガウスの法則、さまざまな状況での電場、静電エネルギー、大気中の電気）、次いで誘電体と静電気のアナロジーが扱われる。

第II巻 第13–24章：静磁気学、誘導、マクスウェル方程式、回路と波動

静磁気学、ベクトルポテンシャル、誘導電流、誘導の法則を経て、第18章「マクスウェル方程式」に至る。続く章では、最小作用の原理、真空中および電流・電荷のある場合のマクスウェル方程式の解、交流回路、空洞共振器、導波管が扱われる。

第II巻 第25–31章：相対論的電気力学と場の中の荷電粒子

これらの章は、相対論的記法による電気力学、場のローレンツ変換、場のエネルギーと場の運動量、電磁質量、電場・磁場中の荷電粒子の運動を扱い、そのあと結晶の内部幾何とテンソルに進む。

第II巻 第32–42章：物質、弾性、流体、曲がった空間

この巻は、密な物質の屈折率、表面からの反射、物質の磁性（常磁性、磁気共鳴、強磁性、磁性材料）、弾性と弾性体、「乾いた水の流れ」と「濡れた水の流れ」を扱い、最後に「曲がった空間」で終わる。

第III巻 第1–8章：量子的振る舞いからハミルトニアン行列まで

第III巻は「量子的振る舞い」と「波動的見方と粒子的見方の関係」で始まる。これは第I巻の第37–38章と同じ章題である。そのあと確率振幅、同種粒子、スピン1、スピン1/2、振幅の時間依存性、ハミルトニアン行列へと進む。

第III巻 第9–21章：2準位系、固体、原子、超伝導

第9–12章は、アンモニア・メーザー、その他および追加の2準位系、水素の超微細分裂を取り上げる。次に結晶格子中の伝播と半導体、そして独立粒子近似、振幅の位置依存性、対称性と保存則、角運動量、「水素原子と周期表」、演算子が続く。最終章は「古典的な文脈でのシュレーディンガー方程式：超伝導についてのセミナー」である。

主要概念

第I巻：力学・放射・熱

• エネルギー保存と運動量保存：それぞれ独立した章（第4章と第10章）があり、力と仕事の扱いに先立って置かれている。
• 特殊相対性理論と時空：付録ではなく、連続する3章（第15–17章）で扱われる。
• 共鳴と線形系：第23–25章が、調和振動子から共鳴、過渡現象、線形系へと展開する。
• 気体分子運動論・統計力学・熱力学：第39–46章は、気体分子運動論と統計力学から熱力学の法則へと進む。

第II巻：電磁気学と物質

• 場とベクトル解析：第2–3章が、静電気学に入る前に場の数学を用意する。
• マクスウェル方程式：第18章の主題で、続く第20–21章で真空中および電流・電荷のある場合の解が扱われる。
• 場のエネルギーと運動量：第27章。電気力学の相対論的記法と並んで扱われる。

第III巻：量子力学

• 確率振幅：量子的振る舞いを扱う冒頭2章のあとの最初の主題（第3章）。
• ハミルトニアン行列と2準位系：第8–12章は、ハミルトニアン行列を、アンモニア・メーザーや水素の超微細分裂などの2準位系の例と組み合わせる。
• 対称性と保存則、角運動量：第17–18章。

批判的分析

長所

• 独自の範囲と順序。 目次には、標準的な力学・電磁気学に加えて、多くの入門書にない内容が並ぶ。最小作用の原理、相対論的電気力学、弾性、流体の流れ、そして確率振幅と2準位系に基づく独立した量子力学の1巻である。
• 意欲ある学生の関心をつなぐための講義。 公刊された紹介によれば、ファインマンの原著の序文は、この講義が高校からCaltechに入学してくる非常に意欲的で聡明な学生の関心を保つためのものだったと述べている。1989年版の特別序文でデイヴィッド・グッドスタインとジェリー・ノイゲバウアーは、講義の主な受益者はファインマンの同僚たちであったと付け加え、彼を並外れた「教師たちの教師」と呼んでいる。
• 入りやすい入口。 2つの小さな選集（『Six Easy Pieces』と『Six Not-So-Easy Pieces』）は、全体に取り組む前に定性的な味わいや相対論中心の味わいを求める読者にとって、どの章が向いているかを示している。
• 無料で読める。 2013年以降、全文はCaltechとThe Feynman Lectures Websiteによって無料でオンライン公開されている。2013年の『Nature』誌の書評は、「単純さ、美しさ、統一性……が熱意と洞察をもって示されている」と評したと引用されている。

短所

• 標準的な課程の順序ではない。 量子的振る舞いは第I巻（第37章）に現れ、ベクトル解析は第II巻（第2–3章）でようやく登場し、「代数」という章が振動の章の間に置かれている。そのため、案内なしに週ごとのシラバスとして使うのには向かない。
• 演習問題は別冊。 講義本文には通常の意味の問題集がない。演習集は別に刊行されており、『Feynman's Tips on Physics』（2005年）には4つの講義、マシュー・サンズの回想、解答付きの演習が加えられている。
• テキストの版の履歴が重要。 公表された記録によれば、初版には誤りがあり、問題が解けなくなるものもあった。正誤表が出され、2005年の決定版（Definitive Edition）と、完全に訂正されたものとして販売された2011年のNew Millennium Editionに修正が反映されている。ここに挙げた1989年の記念版は、これらの訂正より前のものである。
• 想定読者をめぐる議論。 物理学の学生の中には、従来型の教科書で内容をつかんだあとのほうが講義の価値が高いと感じる者がいること、また学生よりも教師にとって有用とみなされることもあることが指摘されている。マシュー・サンズは、グッドスタインとノイゲバウアーによる受講者の説明の一部に異議を唱えた。

コースにおける位置づけ

この基礎物理コースの中で、ファインマンの講義は代替ではなく併読の書である。書単に挙がっている総合的な入門教科書（ハリデイの『Fundamentals of Physics』、ティプラーとモスカの『Physics for Scientists and Engineers』、ヤングの『University Physics』、サーウェイとジュエットの『Principles of Physics』）は、通常の教科書の分量で同じ範囲を扱っており、講義にない問題演習の自然な供給源となる。一方、ヒューイットの『Conceptual Physics』とOpenStaxの『College Physics 2e』は代数ベースで、数学的な要求がより少ない。クレップナーとコレンコウの『An Introduction to Mechanics』は力学だけを扱う要求水準の高い微積分ベースの教科書で、第I巻の第8–20章と相性がよい。

『200 Puzzling Physics Problems』はヒントと完全な解答付きの問題集であり、講義が養おうとする物理的洞察の習慣を練習する材料になる。標準的な教科書で課題を進め、各トピックの前後に対応するファインマンの章を読む、という使い方が妥当である。

本書の使い方

講義はCaltechの1・2年生に対して行われたため、実質的な前提知識は高校物理と微積分である。講義が必要とするベクトル解析や代数は、本文中（第I巻第22章、第II巻第2–3章）で導入される。

実践的な進め方：

• 第I巻の最初の通読： 概観として第1–4章、第7章、第37章を読み、そのあと標準的な教科書の問題を並行して解きながら第8–25章（力学、相対論、振動）を読み進める。
• 選択的なトピック： 第26–36章（光学）と第39–46章（気体分子運動論、熱力学）は、授業がその内容に達したときに読む。
• 電磁気学： 第II巻第1–24章を順に読む。第25–42章は2回目の通読での任意の発展部分である。
• 量子力学： 第III巻は、第I巻第37–38章のあとに読める自己完結した入門である。
• 演習： 各章を他の教材の問題、または『Feynman's Tips on Physics』の演習と組み合わせ、古い刷を使う場合は公表されている正誤表と照合する。