物理学に必要な数学は? It Depends

この記事は4年以上前のものです。

デイヴィッド・ロッジの学問に関するコミック小説の一つに、英語教授の登場人物たちが「屈辱」というゲームをしています。 優勝者は、ハムレットを読んだことがないと告白したアメリカ人です。

これは非常にインターネット時代的なものですが、最近の賞品は、読んでいない古典作品が実は誰にでも全く読まれるべきでないことを論じたエッセイを発表することのようです。 これは読書会の基本として時々登場しますし、他の分野への転用も時々見られます。

もし私が「屈辱」の物理学版に挑戦するとしたら、私のプレイはおそらくこうなります。 私の知る限り、私は何かを計算するためにノイエットの定理を使ったことがありません。 この定理は、「現代物理学のすべてを支える基幹」、「ピタゴラスの定理と同じくらい世界を理解する上で重要な定理」、「おそらく科学で最も深い考え」といった言葉で定期的に歓迎されているにもかかわらず、だ。 私はそれが何であるか知っているし、修辞的に使ったこともあるが、実際にその証明をやり遂げたことはないし(もしやるならこれを試すだろう)、何かの対称性を特定して関連する保存則を決定するような計算をするためにそれを使ったことがないのはかなり確かだ。

他の物理学者の皆さん、よろしくお願いします。

なぜ私は、それほど基本的と思われることを一度もやらずに博士号を取得できたのでしょうか。 ほとんどが低エネルギー物理学の実験家だからです。 大学院では必須科目を履修し、それ以降もいくつかの科目(科目固有の選択科目と、いつか教える必要があるかもしれないと予想していた科目)を履修しましたが、資格試験に合格すると研究室に移り、真空ポンプやレーザー、電子回路、コンピュータによるデータ取得や分析などの技術的な詳細に関心を持つようになりました。 私たちが心配する保存量は、ありふれたエネルギー、運動量、角運動量であり、それほど多くの正当化は必要ありません。 原子物理学のデータを分析する際に、変分計が必要になることはほとんどありませんし、高度な数学が必要になったとしても、私たちは一般的にプロの理論家にそれを引き継いで満足していました。 そのうちの一人は、大学院に行くための十分な準備ができるような数学を履修できていないことを心配しており、そのコースは複素解析学だったと思います。 同僚も私も、「物理学のための数学的方法」のコース以外でその教材を使った覚えはないので、大丈夫だと安心させようとしました。 高エネルギー理論家と一緒に座っていたら、状況は変わっていたかもしれません。

私は時々、「物理を勉強するのにどんな数学が必要ですか」と聞かれますが、本当の答えは「あなたがどんな物理をやりたいかによる」です。 これは、残念ながら、役に立たないように思われることが多いのです。 しかし、上記のように、レーザーや原子を扱う研究室で働くことが目的であれば、万有引力の発見を計画している場合ほど数学は必要ありません。 実験家であっても、多次元での積分と微分の基本を知る必要があります。 ベクトル場の勾配とカール、および関連する演算を理解し、経路に沿って、表面にわたって、または全容積を通じて積分することの意味について、しっかりとした概念的な理解を持つことが必要です。 何はともあれ、もしあなたがアカデミックな仕事に就きたいと願っているのなら、いつかこのようなことを教える必要があるのです。 昨日、私のソーシャルメディアのフィードでは、理論物理学者が調和振動子を何度も何度も解くことについてのSidney Colemanの引用の再共有を多く見かけました。 その言葉には多くの真実があります。膨大な数の問題が調和振動子の小さなバリエーションのように見えるので、私たちはその問題に多くの時間を費やしています。 調和振動子は、微分方程式の中でも、解がきれいで、親しみやすく、扱いやすい方程式の1つで、物理学に携わる者は、これらの微分方程式の扱い方を知っておく必要があります。 そして、その一握りの微分方程式以外の微分方程式を扱うための一般的なテクニックは、「解き方がわかっている方程式の1つに摂動を与えたように見せる方法を見つける」ことに集約されるのです。 量子力学の最もコンパクトでエレガントな表現は、ベクトル、行列、固有値問題など、線形代数の言語で書かれている。 線形代数の言葉は量子力学の波動力学版にも浸透しており、まだ数学に触れたことのない学生には少し戸惑うかもしれません。 このようなことを理解することは、絶対に必要です。 統計は、測定の不確かさを定量化する必要のある実験家にとって明らかに不可欠ですが、実験パラメータを入れる必要があるおかげで、理論でさえ不確かさがあります。 物理学に携わる者であれば、標準偏差、誤差の伝播、平均化手法などをある程度理解しておく必要があります。 この教材は、公共政策の議論を理解するのにも非常に役立ちますので、より良い物理学者となり、またより良い市民にもなれるという、一挙両得のものです。 私の専門である原子・分子・光物理学では、基本的に応用量子力学をやっているので、大量の線形代数が必要です。 もしあなたが、より古典的な光学(光は粒子ではなく波である)を研究しているならば、微分方程式の特殊関数と解に関する、より多くの経験が必要になるでしょう。 また、重力や相対性理論を学ぶのであれば、上記のリストには全く出てこない微分幾何学などを学ぶ必要があります。 実験家になるなら、しっかりした概念的な基礎が必要ですが、計算のテクニックはそれほど必要ではありません。 プレイヤーは、「拡散ポンプのオイルを交換したことがない」とか「回折格子分光器を使ったことがない」とか、あるいはほぼ確実に勝者となる「2本のワイヤーを一緒にはんだ付けしたことがない」などを点数化して回ることができます。 このような場合、”li “は “li “であり、”li “は “li “であっても、”li “でない場合、”li “であっても、”li “である。 私のウェブサイトをチェックする。

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