01 / 読書ガイド
読書ガイド
引用
Moebs, W., Ling, S. J., & Sanny, J. (2016). University Physics Volume 3. OpenStax. Free official edition: https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-3
章の要約
第1章：光の性質
第1部「光学」は、第2巻のマクスウェル方程式を踏まえ、光とは何か、どう振る舞うかを問うところから始まる。光の速さと屈折率、光線モデル、反射の法則、屈折とスネルの法則、全反射（光ファイバーを含む）、分散、波動光学への橋渡しとしてのホイヘンスの原理、そしてマリュスの法則とブルースター角を含む偏光を扱う。
第2章：幾何光学と像の形成
光線図と鏡・薄レンズの公式を使って、平面鏡と球面鏡、単一の屈折面と薄レンズによる像を収差にも注意しながら説明する。続いてこれらの考え方を、眼と視力矯正、カメラ、単純な拡大鏡、顕微鏡と望遠鏡に応用する。
第3章：干渉
シャボン玉の色から始まり、ヤングの二重スリット実験と、強め合う干渉・弱め合う干渉の数学、多重スリットの干渉、反射による位相変化を伴う薄膜干渉、マイケルソン干渉計を示す。
第4章：回折
単スリット回折とその強度（フェーザーで計算）、二重スリットの合成パターン、回折格子、円形開口とレイリーの分解能の基準、結晶による X 線回折、ホログラフィーがこの章を構成する。章の冒頭はポアソンの斑点である。
第5章：相対論
第2部「現代物理学」は、GPS に必要な補正を動機として特殊相対論から始まる。アインシュタインの仮説を述べ、同時性の相対性、時間の遅れ（ミューオンの寿命や双子のパラドックスを含む）、長さの収縮、時空図と不変間隔を伴うローレンツ変換、相対論的な速度の合成、光のドップラー効果、相対論的な運動量とエネルギーを導く。
第6章：光子と物質波
初期の量子論の考え方をたどる。黒体放射とプランクの量子、光電効果、コンプトン効果、ボーアの水素原子模型、ド・ブロイの物質波（電子顕微鏡が動機づけの例）、波と粒子の二重性である。
第7章：量子力学
波動関数とボルンの確率解釈、規格化と期待値、ハイゼンベルクの不確定性原理、シュレーディンガー方程式、そして三つの標準的な応用――箱の中の粒子、量子調和振動子、障壁のトンネル効果――がこの入門を構成する。章の冒頭は量子コンピューターのプロセッサーである。
第8章：原子の構造
量子力学を水素原子とその量子数、軌道磁気双極子モーメントと電子スピン、排他原理と周期表、原子スペクトルと X 線、レーザーに適用する。
第9章：凝縮系物理学
量子の考え方を分子と固体に広げる。イオン結合と共有結合、分子の回転・振動スペクトル、結晶の結合、金属の自由電子モデルとフェルミエネルギー、バンド理論、半導体とドーピング、ダイオードやトランジスタなどの素子、クーパー対による超伝導である。
第10章：原子核物理学
原子核の性質、結合エネルギーと質量欠損、放射性崩壊と年代測定、核反応、核分裂、（太陽におけるような）核融合、そして放射線の医療応用と生物学的影響を扱う。
第11章：素粒子物理学と宇宙論
最終章は最小のスケールと最大のスケールを結びつける。素粒子の分類、粒子反応における保存則、クォーク、加速器と検出器（LHC の ATLAS など）、標準模型、そしてビッグバンから初期宇宙の進化までの宇宙論（宇宙マイクロ波背景放射、暗黒物質、暗黒エネルギーを含む）である。
主要概念
第1章：光の性質
- スネルの法則：入射角・屈折角と二つの媒質の屈折率との関係。
- 全反射：密な媒質中の光が臨界角を超えて境界に達したときに起こる完全な反射。
- 偏光：光の電場の向きで、偏光フィルターや反射によって変化する。
第2章：幾何光学と像の形成
- 薄レンズと鏡の公式：物体距離、像距離、焦点距離の関係で、光線追跡とともに像の位置を決める。
- 倍率：像と物体の大きさの比で、顕微鏡や望遠鏡ではレンズごとの倍率が組み合わされる。
第3章：干渉
- 強め合う干渉と弱め合う干渉：波長に対する経路差に応じて、波が強め合うか打ち消し合うか。
- 薄膜干渉：膜の二つの面での反射によって生じる色で、反射時の位相変化も含む。
第4章：回折
- 単スリットの暗線：スリット幅と角度の正弦の積が波長の整数倍になる位置に現れる暗い縞。
- レイリーの基準：円形開口で二つの点光源を分解できる最小の角距離。
第5章：相対論
- 特殊相対論の仮説：物理法則と光の速さは、すべての慣性系で同じである。
- 時間の遅れと長さの収縮：運動する時計は遅れ、運動する物体は運動方向に縮む。
- 相対論的エネルギー：全エネルギーには静止エネルギー mc² が含まれ、質量とエネルギーを結びつける。
第6章：光子と物質波
- 光子：エネルギー hf をもつ光の量子で、光電効果を説明する。
- ド・ブロイ波長：運動量 p をもつあらゆる粒子に伴う波長 h/p。
第7章：量子力学
- 波動関数と確率：波動関数の絶対値の2乗が、粒子を見いだす確率密度を与える。
- ハイゼンベルクの不確定性原理：位置と運動量を同時に任意の精度で知ることはできない。
- トンネル効果：粒子が自身のエネルギーより高い障壁を通り抜けるゼロでない確率。
第8章：原子の構造
- 量子数：原子内の電子の状態を指定する n、l、m とスピン。
- パウリの排他原理：原子内の二つの電子がすべての量子数を共有することはなく、これが周期表を説明する。
第9章：凝縮系物理学
- エネルギーバンド：固体中で電子がとりうるエネルギーの範囲で、そのギャップが導体・半導体・絶縁体を区別する。
- ドーピング：半導体に不純物を加えて n 型または p 型の材料をつくること。
第10章：原子核物理学
- 結合エネルギー：原子核の質量欠損に相当するエネルギーで、核分裂と核融合がエネルギーを放出する理由を説明する。
- 放射性崩壊の法則：試料が半減期で特徴づけられる指数関数的な崩壊をすること。
第11章：素粒子物理学と宇宙論
- 標準模型：クォーク、レプトン、力を媒介するボソンの理論。
- ビッグバン宇宙論：高温・高密度の初期状態から進化する膨張宇宙のモデル。
批判的分析
長所
- 1巻で幅広い現代物理学を扱う。 光学の4章のあと、相対論、初期量子論、量子力学、原子、凝縮系、原子核と素粒子を経て宇宙論へと進むので、無料の1冊で現代物理学の1学期分をまるごとカバーできる。
- 入門書としては丁寧な相対論の扱い。 第5章はローレンツ変換を導き、時空図と不変間隔を導入し、時間の遅れの公式だけでなく、双子のパラドックスや、ミューオンの寿命・GPS の補正といった実験的な検証も論じる。
- 実際の計算を伴う量子力学。 第7章は波動関数を規格化し、期待値を計算し、箱の中の粒子と調和振動子を解くので、純粋に記述的な説明ではなく、実際に使える出発点を学生に与える。
- シリーズ共通のなじみある教育的工夫。 例題は「方針・解答・意義」の形式に従い（PDF を数えると約110の例題と75の「理解度チェック」の問い）、各章は重要用語、重要な式、節ごとの要約、段階的な演習で終わる。
短所
- 相対論は1章だけ。 4元ベクトルも、時空幾何の体系的な利用もなく、一般相対論はついでに触れられる程度である。概念的・幾何学的な説明を求める学生には専門の教科書が必要になる。
- 量子の話題は入門的な深さ。 水素原子は球座標での完全な解ではなくその結果を通して説明され（本文自身がより高度な講義に回すと述べている）、演算子、スピンの形式、摂動論は展開されない。
- ペースにむらがある。 第9〜11章は大きな分野（凝縮系、原子核物理、素粒子物理と宇宙論）をそれぞれ数十ページで概観するため、記述的な扱いになっている。
- 光学と現代物理学が1冊にまとめられている。 現代物理学だけに焦点を当てる講義では最初の4章を飛ばすことになり、光学の講義には8.6節以外にフーリエ光学やレーザー物理の内容がない。
コースにおける位置づけ
University Physics Volume 3 は Taylor と Wheeler の Spacetime Physics と並ぶ、微積分を用いる現代物理学の概説書である。両者は互いを補う。本巻は現代物理学全体を扱い相対論には1章をあてるのに対し、Spacetime Physics は間隔と世界線に基づく特殊相対論の専門書である。学生はまず本書の第5章を読み、そのあと深く学ぶために Spacetime Physics に進むとよい。Krane の Modern Physics と、Thornton、Rex、Hood の Modern Physics for Scientists and Engineers は、本格的な現代物理学の教科書として、本書の第5〜11章からの自然な次の段階である。
Schutz の A First Course in General Relativity と Carroll の Spacetime and Geometry は一般相対論の教科書であり、本巻はそれらが前提とする特殊相対論の背景しか与えないので、それらよりずっと前に読むべきである。
本書の使い方
本書は、力学と電磁気学（第1巻・第2巻またはそれに相当するもの）のあと、微積分ベースの物理学の3学期目に使うことを想定している。第7章は、簡単な2階微分方程式を解ける程度に微分方程式に慣れていることを前提とする。現代物理学と相対論の講義では、まず第5章を読み、量子物理の中核として第6〜8章を、講義の重点に応じて概説として第9〜11章を読むとよい。第1〜4章は光学の単元のためのもので、現代物理学の講義では省いてよいが、干渉と回折を扱う第3〜4章は第6章の物質波の理解に役立つ。
各例題のあとに「理解度チェック」に取り組み、章の重要な式を使って復習を整理すること。一般相対論、水素原子の解、標準模型のように扱いが簡潔な話題については、本書の導入を道しるべとして使い、講義のリストにある、より本格的な現代物理学の教科書で補うとよい。
版と出典
本ガイドは、OpenStax の公式ページ https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-3 からダウンロードした University Physics Volume 3 の無料 PDF（初版刊行2016年、現行 PDF は © 2026 Rice University、CC BY-NC-SA 4.0 ライセンス。主執筆者は William Moebs、Samuel J. Ling、Jeff Sanny）に基づく。序文、目次全体、そして全11章について、冒頭の図と導入、すべての節の構成、章末の要約を参照し、例題の数と第5章の特定の話題も確認している。