力 (物理学)

力：物理学における概念とその歴史

はじめに

物理学において「力」とは、物体の状態変化を引き起こす作用、ひいてはその作用の大きさを表す物理量です。質点の運動変化、あるいは広がりを持つ物体であれば形状変化をもたらす原因となります。本稿では、古代の自然哲学における力の捉え方からニュートン力学、古典力学、量子力学における力の概念、そして現代における批判的視点までを包括的に解説します。

歴史

古代ギリシャ

古代ギリシャでは、力という概念は物体に内在するもの、あるいは外部から作用するものとして捉えられていました。プラトンは物質に「プシュケー」（魂）が宿り運動を引き起こすと考え、デュナミスという語には他者への働きかけと他者からの受容という二重の意味を付与しました。アリストテレスは自然な運動と強制的な運動を区別し、一方ヨハネス・ピロポノスは物質そのものに力が内在すると主張しました。これらの思想はイスラム科学にも影響を与えました。

ルネサンス以降

14世紀のジャン・ビュリダンはインペトゥス理論を提唱し、物体の運動を説明しました。これは、物体に「インペトゥス」（いきおい）が内在し、運動を継続させるという考え方です。16世紀にはシモン・ステヴィンが力の合成と分解を数学的に扱い、「ステヴィンの機械」の不可能性を示すことで力の平行四辺形の法則の成立を示唆しました。ガリレオ・ガリレイもまた斜面の問題を通して同様の考察を行い、後にフィリップ・ド・ラ・イールが力を空間ベクトルとして表現する枠組みを確立しました。デカルトは渦動説を提唱し、エーテルの渦によって物体が動かされると説明しましたが、この説は後にニュートンによって批判されています。

ニュートン力学

ニュートンはガリレオやデカルトの研究を踏まえ、運動の法則を体系化しました。特に、運動の第2法則「運動の変化は物体に与えられた力に比例し、その方向は与えられた力の向きに生じる」は、現代物理学の基礎となっています。これは、運動量の時間変化が力に等しいという式（F = dp/dt）で表現されます。さらに、ニュートンは作用反作用の法則（運動の第3法則）を提唱し、力学における相互作用の原則を打ち立てました。

熱力学

19世紀前半までは、現在のエネルギー概念に相当するものが「力」と呼ばれていました。クラウジウスは熱力学第一法則において「Kraft（力）」という用語を使用し、ライプニッツは運動エネルギーに対応する概念を「vis viva」と名付けました。その後、ヤングが「エネルギー」という用語を提案し、トムソンとランキンが運動エネルギーと位置エネルギーを明確に定義しました。

古典力学

古典力学における力の定義

古典力学における力の最も基本的な定義は、質量と加速度の積（F = ma）です。力はベクトル量であり、向きと大きさで特徴付けられます。この定義はニュートンの運動方程式と呼ばれ、運動の第2法則から導かれます。ただし、これは相対論的な効果を考慮していない近似的な定義であり、光速に近い速度では特殊相対性理論による修正が必要です。

力の釣り合い、合成、分解

物体の速度が変化しない場合、力は釣り合っています。複数の力を一つの力に合成する操作を力の合成、その逆を力の分解と呼びます。力の合成・分解はベクトルの加法に従い、力の平行四辺形を用いて図示できます。これは、ニュートンの第4法則あるいは力の重畳原理とも呼ばれます。

力の分類

連続体力学では、力は面積力と体積力に分類されます。面積力は物体の表面を介して作用する力（圧力、応力など）、体積力は物体の体積に比例する力（重力など）です。

量子力学

量子力学では、宇宙の基本的な力は電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用、重力相互作用の4つに分類されます。これらは場の量子論によって記述され、電磁相互作用と弱い相互作用は電弱統一理論で統一的に記述されます。強い相互作用を含めた大統一理論の構築は現在も研究中です。

力に対する批判

ニュートン力学における力の定義は、慣性質量という未定義の量を含んでいるため、力と質量の定義が独立しておらず、批判の対象となっています。また、力の定義そのものが自明ではないという指摘もあります。NASAのサイトでは、力とは「自由物体の動きに変化を起こしたり、固定物体に歪みを与える原因となる作用主体」と説明されています。

結論

力の概念は、古代ギリシャの自然哲学から現代物理学に至るまで、長きに渡り研究されてきました。古典力学におけるニュートンの法則は多くの現象を説明しますが、量子力学や相対性理論の登場により、その理解はさらに深まりました。しかしながら、力の定義や本質をめぐる議論は、物理学における根本的な問いとして、現在もなお研究が続けられています。

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