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わたしたちの身の回りの自然現象に対して、物理学という学問がどのようにアプローチし、考え、理解しようとしているかを伝えたい。内容としては、力学、電磁気学、熱力学、量子力学などに対応するが、その詳細を理解するよりもむしろ、それらがどのように相互に結びついて、どのような世界観を提供しているかを捉えることを目指す。
In this Class, I would like to deliver how physics attempts to approach, think, and understand natural phenomena in this world. The contents correspond to mechanics, electromagnetism, thermodynamics, and quantum mechanics. However, we will catch how physics connects the contents and views this world rather than understand the contents themselves in detail.
この授業での科学は、いわゆる理科や数学などに相当する自然科学だけでなく、社会や国語に相当する人文社会科学も含みます。よって理系・文系問わず、多様な受講生を歓迎します。
科学の現場では、違うものを似たような見方をすることをアナロジーと呼びます。科学的な例え話とも言えます。アナロジーは対象への理解を深めるのみならず、科学的なプロセスにおける問題や仮説の設定手法としても有用であるとされています。また逆に、同じものをいろいろな方向から眺めることでも、対象への理解が深まることがあります。このように様々なことがらを、様々な角度や距離から俯瞰的に眺めることは、科学の技法として大切です。
この授業ではこれらの技法を体験するために、自然科学における質量というよく知られた概念について再考したり、メタマテリアルという最先端の研究に触れたりします。またそもそも科学とはどういうものかについても考えます。そしてグループワークなどで自分の考えを説明し、クラスメイトや教員など他者の考えを聞くことで議論し、報告会では自分の考えをまとめて表現してもらいます。これらを通じて理系・文系の枠を取り払った総合的な知の足掛かりを築きます。
The word "Science" in this Class corresponds not only to natural sciences, like physics and mathematics, but also to the humanities and social sciences. We thus welcome all students with a wide variety of backgrounds.
In scientific research, a way of viewing different things from the same viewpoint is called analogy. Analogy enables us to understand an object deeply. Moreover, it is helpful for us to set a problem and make a hypothesis. On the other hand, we understand identical object deeply also by viewing from different points of view. In this way, bird's-eye view at a variety of distance and angle is a powerful technique in scientific research.
In this Class, we experience the technique by re-visiting well-known concepts in natural science, for example, mass, and touching cutting edge research topics, for example, metamaterials. Additionally, we consider also how to view science itself. At in-class collaboration, you should explain your ideas, hear opinions from your classmates and teachers, and give a presentation of your ideas and opinions. In this way, you will build up integrated intelligence without the border among the natural sciences, humanities and social sciences.
近年の物理学は著しく発展しています。私たちの住む宇宙の歴史と構造の解明も進んできました。また、私たちの身近にある最先端の科学技術の多くは物理学によって基礎づけられています。このように、人類に夢を与え、社会の基盤を支えている最先端の研究内容を理解する方法を議論しながら学ぶことを目的とします。そのために、前半では、物理学の基礎科目の目的と概要を議論しながら理解します。後半では、いくつかの最先端の研究と社会的つながり、そして未来社会をみんなで予測します。そして、みなさんの将来像（vison）を考えます。この授業を設計した背景には、私が現在「基本法則から読み解く物理学最前線（共立出版）」を監修し、多くの最先端の研究を遂行している研究者との対話から感じた内容を、皆さんに是非伝えたいという想いがあります。
In recent years, physics has evolved significantly. The history and structure of the universe in which we live have been elucidated. Many of the cutting-edge science and technology that we are familiar with are based on physics. The purpose is to learn while discussing ways to understand the cutting-edge research content that gives humanity a dream and supports the foundation of society. To that end, in the first half, we are going to discuss and understand the purpose and outline of the basic subjects of physics. In the second half, we will all predict some cutting-edge research, social connections, and future society. Finally, think about your future vision. In this class, I would like to tell you what I felt from the dialogue with researchers who are currently supervising "The Frontier in Physics to Understand from the Basic Laws (Kyoritsu publishing co.)"
原子核、素粒子、物性、地球物理、天文の各領域における最新の話題を題材に、基礎物理の解説も交えて、初級者に、現代の「物理科学」の全貌を紹介する。授業は、物理学科、宇宙地球物理学科（天文コース、地球物理コース）から１３名の講師が週替わりで担当する。
This course provides an overview of modern physical science. Thirteen lecturers in the Department of Physics, Department of Geophysics, and Department of Astronomy cover a wide area of physics including nuclear physics, particle physics, condensed matter physics, earth science, and astronomy.
熱力学は、我々の身の回りで起きるいろいろな熱現象（融解、蒸発、車のエンジン、生命活動に必要なエネルギーなど）、および熱的な性質を巨視的に扱う学問である。熱力学では、こうした熱過程を、熱平衡状態にある始状態と終状態で抑え、その差で説明する。本授業の前半では、熱力学の基本法則、エントロピーと熱力学関数を理解して、代表的な熱機関を取り上げ、熱現象の物理的な意味を考える。後半では、相平衡、非理想気体、および気体分子運動論など、熱力学的な現象を捉える上で必要な概念を習得する。最後に、古典統計力学に少し足を踏み入れる。本講義を通じて、我々の身のまわりで起きる熱現象が理解できるようになる。
Thermodynamics macroscopically deals with various thermal phenomena and properties like a melting and evaporation of water, engines of vehicles, and energies for vital activities. Thermal processes are described with the difference between initial and final thermal equilibrium states. In this course, students will learn and deepen their understanding of physical meaning on lows of thermodynamics, entropy, thermodynamical functions, phase equilibrium, non-ideal gas, molecular kinetic theory of gases, and additionally classical statistical mechanics.
最もミクロな世界の法則を探究するのが素粒子物理学、一方で最も大きな世界すなわち宇宙の様々な現象の解明を目指すのが宇宙物理学です。この一見対極にあるような２つの分野は実は密接に結び付いています。本演習では、素粒子の世界の法則が宇宙の現象の解明にどのように役立つのかを理解することを目標とします。特に基礎原理・法則に基づいて、日常的なスケールから大きくかけ離れた現象について大雑把に評価する感覚を養うことを重視します。受講者にはまずこれらの基礎的な事項をゼミ形式で学んでもらい、その後具体的なテーマについて調査・発表をしてもらいます。
Particle physics aims for revealing the law of the most microscopic world. Cosmology aims for revealing the phenomena in the most macroscopic world, the Universe. These two fields are closely related with each other. The purpose of this class is to understand this connection. In particular, I give importance to learning how to make an order-of-magnitude estimation on phenomena in extreme scales. Attendees are requested to first learn some basics things about relativity and quantum mechanics, and later give presentations on concrete topics.
物質の電子（電荷、軌道、スピン）と電磁波である光との相互作用について、原子や分子およびその集合体である固体を舞台にして説明します。
前半は、原子や分子の電子状態と光の相互作用について、基本的な熱・統計力学、電磁気学、初等量子力学を用い、
主に下記の問題について概説します。
・なぜ量子論が必要なのか？
・原子や分子の構造
・物質（原子、分子、固体）の色と電子の波動関数の広がりの関係
・光と電子、スピンの相互作用
さらに後半では、
対象を固体（金属、絶縁体、磁性など）に拡げ、
光と物質の相互作用について学びます。また、物質の量子力学的な性質を応用した光デバイスである
発光ダイオードやレーザーの基礎のほか、超短パルスレーザーやテラヘルツ電磁波、光周波数コムなどの先端光技術およびそれを用いた光計測や物質の光制御（超高速光エレクトロニクス、光スピントロニクス）にも触れる予定です。
The basic principles of light-matter interactions not only for atomic/molecular systems but also for solid materials will be discussed.
In the former part, optical properties of atomic/molecular systems in terms of elementary electrodynamics, statistical physics , and quantum mechanics. Main subjects are shown below;
・Why is quantum mechanics necessary ?
・Electronic wavefunction and colors of matter
・Tight-binding theory (in solid state physics) and molecular orbital(in quantum chemistry)
・Electronic many body effect
・Spin-orbit interaction
Then, in the latter part, advanced laser technologies such as extremely ultrashort laser pulse, frequency comb. terahertz wave etc... and their application to material science will be introduced.
Google Classroomのクラスコードは工学部Webページにて確認すること。
学部シラバス・時間割(https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html)
本講義はGoogle Classroomを使用します．
クラスコード: y4ojaiu
１．目的
複雑な伝熱・物質輸送のメカニズムを幅広いスケールに渡って学ぶ．
２．概要
伝熱学で習得した伝熱現象の基礎知識を踏まえ，幅広いスケールに渡って熱・物質輸送現象のメカニズムを講義する．
３．達成目標等
・ミクロスケールから熱力学の概念を捉え直し，統計物理学の基礎的概念を理解する．
・熱・物質輸送現象をミクロ・マクロスケールに渡って原理的に理解し，応用について考察できる．
The class code for Google Classroom can be found on the Web site of
the School of Engineering:
https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html (JP Only)
This class uses Google Classroom.
Class code: y4ojaiu
In this course, heat and mass transport phenomena are discussed from a broader viewpoint ranging from microscale to macroscale. Thermodynamic quantities are revisited with microscopic descriptions. The basic principles of statistical physics are given in order to understand the relationship between macroscopic thermodynamics and microscopic mechanics. Based on the above basics, the derivation of governing equations for mass transport phenomena, essential analogy between heat transfer and mass transfer, and application cases in the engineering are discussed.
Google Classroomのクラスコードは工学部Webページにて確認すること。
学部シラバス・時間割(https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html)
授業の到達目標及びテーマ
材料科学における熱力学の初歩（熱力学関数の導出）から統計熱力学の基礎（分配関数の計算や自由エネルギー計算）を学び，諸問題が解けるようになることが目標
授業の概要
物理や化学の様々な現象に深い関わりをもつ熱・統計力学の基本的な考え方を説明し，物質科学において果たす役割，適用例について述べる．
The class code for Google Classroom can be found on the Web site of
the School of Engineering:
https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html (JP Only)
The goal is to learn the rudiments of thermodynamics in materials science (derivation of thermodynamic functions) and the basics of statistical thermodynamics (calculation of distribution functions and free energy), and to be able to solve various problems.
The basic concepts of thermal statistical mechanics, which are deeply related to various phenomena in physics and chemistry, will be explained, and its role and applications in materials science will be described.
物理学の基礎である力学について基本的知識の獲得と問題解決法の習得をめざし、物理学的なものの見方に慣れるようにする。ここでは連続体の力学と波動について、基本的な原理や法則を知り、物理学の理解を深め、問題解決の能力をみがく。解析に必要となる数学的な能力をみがく。
Mechanics is a base of Physics. Through learning the basic knowledge and how to utilize it to solve basic problems and to get familiar with the logical approach to physics. The purpose of this course is to perceive the basic principles and physical laws governing the motion of continuum, solids and fluids, and to deepen the physical understanding and polish up the ability to solve problems with useful mathematics.