理解する上で乗り越えるべき壁は？

「実在」と「現実に存在する」は違うのか？

物理ではどうやら違うらしい。この実在という用語は量子力学で特殊な使い方されていることを最近知った。物理上では測定する前から確定した値があり、その後何度も測定しても同じ値が得られること。逆に測定ごとにバラツキがあって確定してない時は「ゆらぎ」があると称される。このことから「実在」は物理の用語と見るべきだろうが、やはり勘違いされやすい。

理解をさまたげる阻害要因とは

　力学や物理を理解するには、経験から来る日常感覚がさまたげる場合がある。例えば日常生活において、エネルギーは拡散していくので、その運動を維持していくには外から常にエネルギーを与えつづけなければなりません。それをエネルギーは次第に消滅していくように思われている。

　光速度は車のスピードに比べて無限大といっていいくらい問題になることはありませんし、プランク定数も非常に小さくて意識することはありません。そのような光速に近い速度なんて日常では想像しにくい。

日常感覚はどのようにして作られるかはその時代の環境に依存するようである。例えば

http://nlab.itmedia.co.jp/nl/articles/1110/17/news114.html

に見られるように絵を指で触れば動くのが当たり前のように育ってしまうように日常感覚で得られたモノは決して根拠が薄く頼りがいのないかもしれないのです。局所実在性なんて言うのも別の視点からすると不思議なのかもしれない。自然現象は様々な要因が複雑に絡まり合ってどれが本質なのか見極めにくい。それなのでなにか単純化してみるのもアリかもしれません。

　最近問題になっているのはネットの普及で疑似科学の存在でそれらを主張する人達が一定割合でいる。これが容易に目に触れるようになり、それらの主張が"相信"とかまるで宗教あつかいな言われ方されて中立的な立場などありえないが、向こう側に追いやってしまう。物理を理解する上で阻害要因の一つだ。掲示板運営にも頭を痛めるやっかいな問題となっている。

　また、ニューサイエンスと呼ばれる心理系やポストモダン系衒学サイトや哲学、それらの主張にも素人の自分から見ても数式の間違いや見当違いが数多く見受けられる。そういう物理用語や数式使う場合も物理の標準的な教科書をキッチリ勉強すべきだと思います。

①日常用語で物理でもよく使われている用語がある。とくに「仕事」がそう、「エネルギー」も「力」も、それらはかなり異なっている。

②しょっぱなに述べた「実在」の他に化学の「物質量」と「物質の量」でも違う。したがって質量という意味で物質量を使うのは誤解されるので使わないようにしましょう。

理解する上で乗り越えるべき壁とは？

①もっともシンプルな例は列車が駅に停車しているはそれは自明なことです。ところが何もない宇宙空間なようなところで停止しているといっても自明ではありません。なにか基準が必要です。二つのロケットのうち一つを座標の原点に据えれば別のロケットの速度が座標上で速度が指定できます。停止しているとは時間的に動かないとこです。次ぎにロケットのように具体的な物体ではなく、座標で考えることもヒントになります。このようにいろいろな条件排除して単純化してみるのもよいです。

②ベクトルやスカラー、高校ではベクトルは向きと大きさと習ったけど、速度が０は、どちらの向き？これでは不十分だとスグに分かる。それで座標で考えると速度は三次元座標では三つの成分に分解できる。ijkをそれぞれX軸、Y軸、Z軸に平行な単位ベクトルとするとVは
V = Vxi+Vyj+Vzkで表せる。このように分解できるのはベクトルの線形性に依る。速度０とはVx=0,Vy=0,Vz=0のことである。物理量があった場合、それがスカラーなのかベクトルなのか意識するのがいい。

③運動量はmvという形で教えられるけど、別に質量なくても運動量の変化としての力はある。光には押す力があり、宇宙で太陽の光を帆のようにして航行するロケットもある。べつに不思議ではない。

(随時追加予定です)

「見かけの力」

「見かけの力」は大域的であることが条件だ

高校物理では慣性力のことを別名「見かけの力」と言う。

すこし説明すると、加速している座標系に移ると慣性系とは違って時間的に同じ位置でも力を感じる。この力のことを「見かけの力」という。高校物理ではどのように定義しているか、ググると

http://fnorio.com/0060inertial_force1/inertial_force1.htm

つまり円運動なら外向き働く力が慣性力、遠心力すなわち「見かけの力」。それをヒモで同じ大きさで向きが逆なのが向心力、F=maのFのこと。直線運動では加速している力がFなら、その座標系での時間的に同じ位置にある力学系は-Fの力を受ける。これが慣性力すなわち「見かけの力」。ここで加速度系の位置を緑x、外の静止系の座標黒xとすれば

　　

のように見える。この式を時間で２回微分し、加速度系にある人の質量をmとすれば

　　

左辺は加速度系での人にかかる力、右辺の１項は外からの座標での人にかかる力だから列車の加速度がそのまま反映したかたち。そして-maがすなわち慣性力「見かけの力」。ここで第一項を０、加速度系列車つまりくくりつけられているとするなら、列車の加速度と慣性力「見かけの力」が釣り合っている形となる。これは特殊な例だけど加速度座標系での円運動など加速度運動を取り扱うにはとのような座標変換するか扱うべき事案があり、こうしてみると高校物理はけっこう難しくレベルが高い。それより慣性系同士を扱う方が先だと思う。

　やはり高校では生活に密着した物理だと思う。地上では海の満ち引き、コリオリの力など加速度系に住んでいることはまちがいない。もともと力学は慣性系を出発点にしているので加速度系でも慣性系を作り出すことはできないか考えることは可能だ。例えばブレーキを掛けている車内で床面と摩擦のない自由に動ける台車をおけばそこに乗っていれば擬似的に力のかからない慣性系を作れる。

このことは重力場内においても局所的に力のかからない慣性系を作れる。例えばロープの切れたエレベータ内は擬似的な慣性系だ。そのことから重力も「見かけの力」と言えるのでは。高校物理ではその「見かけの力」の定義があいまいなように感じる。キチンと定義すると重力も見かけの力の一つと教えないといけないと思う。下のコメントにあるように大域的であることが条件で、したがって局所慣性系が作れるからといって重力場は見かけの力とは言えない。

それに見かけの力があるならその反意語の実質的力があるように思えてしまう。ところがその言葉はない。そのことから見かけの力という言葉はあまり使用しない方がいいのでは、慣性力でいいと思う。電磁気力の中でローレンツ力は慣性力になりうるか？

(書きかけです)