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講義No.10065

日常にあふれる「非線形現象」

線形な世界と非線形な世界

 世の中には線形な現象と非線形な現象があります。インプットに対してアウトプットが比例しているような現象を「線形な現象」、そうでないものを「非線形な現象」と呼びます。私たちの周りにある日常のほとんどの出来事は、インプットとアウトプットが単純な比例関係にはありません。ことわざで「風が吹けば桶屋が儲かる」と言われるのは、その中に非線形な現象がつまっているからです。生き物も、さらには生き物たちがつくる集団や社会なども非線形な現象のカタマリと言えます。

すぐ隣りにある非線形の世界

 残念ながら、高校の物理で非線形な現象を勉強する機会はなかなかありません。しかし、高校で習う物理のすぐ近くに非線形な世界は広がっています。例えば、バネにつながれたおもりはその伸び(インプット)に比例した力(アウトプット)を受けることを高校で習います。しかし、そのような関係があるのは伸びの大きさが十分小さいときだけの話です。伸びを大きくするとおもりは非線形な力を受けるようになります。さらに、いくつかのおもりをバネでつなぎ、ある程度の大きさの振動を起こすとその運動には途端にカオスが現れます。

モノの物理とコトの物理

 原子や分子、多くの粒子が集まった凝縮体、さらには化学や生命現象などは、一見するとまったく異なる対象に思えます。しかし、それらを記述する方程式や数理のレベルで比べると、似たようなもの、あるいは全く同じものがよく現れます。物理学に限らず自然科学のどのような分野も、個々のモノがもつ性質の違いを探求する側面と、さまざまなコトが示す現象の共通性に関心を向ける2つの側面があります。非線形物理学は、数理やコンピュータの力を借りながら、さまざまな現象に共通する原理を探求し、異なる対象を横断的にみることが大きな特徴です。

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この学問が向いているかも 物理学

東京都立大学(現・首都大学東京)※2020年4月校名変更
理学部 物理学科 教授
首藤 啓 先生

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メッセージ

 素粒子や宇宙ばかりでなく、身の回りの現象の中にも物理学で解明されていないことがまだまだたくさんあります。高校の教科書で勉強する物理のすぐ隣りにも、実はわからないことがあふれています。学校で習う物理は、ちょっと味気なく理屈っぽいところがありますが、その向こう側にはとても豊かで好奇心をかき立てる世界が広がっています。しかし、そういうことは、教科書を眺めているだけではなかなか気がつかなかったりもします。どんな方法でも構いませんので自分自身が興味をもてる入り口を探してみてください。

先生の学問へのきっかけ

 物理学の魅力の一つは数理の言語を使って自然現象を記述することです。比較的簡単な数学を使うだけで、素朴には考えもつかないような世界が見えてきたり、思ってもいなかった現象の間に関係があることがわかったりします。中学・高校の頃から物理は好きでしたが、大学で「カオス」という言葉に好奇心を刺激されました。それまで勉強した物理とは違う何かをその言葉の響きの中に感じたからだと思います。現在は、ニュートンの力学で起こるカオスや、それが量子力学に残す痕跡などを調べています。

先輩たちはどんな仕事に携わっているの?

IT関連企業研究開発/電気メーカー開発/弁理士事務所・弁理士/官公庁職員/中学・高校教員/大学教員

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首藤 啓 先生がいらっしゃる
東京都立大学(現・首都大学東京)※2020年4月校名変更に関心を持ったら

 東京都立大学(現首都大学東京)は「大都市における人間社会の理想像の追求」を使命とし、東京都が設置している公立の総合大学です。人文社会学部、法学部、経済経営学部、理学部、都市環境学部、システムデザイン学部、健康福祉学部の7学部23学科で広範な学問領域を網羅。学部、領域を越え自由に学ぶカリキュラムやインターンシップなどの特色あるプログラムや、各分野の高度な専門教育が、充実した環境の中で受けられます。

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