物理のための数学 – 物理とはずがたり
本記事では、波の関数の物理量に運動量やエネルギーを対応させ、そこから粒子のエネルギーの公式を数学的に抽出することでシュレディンガー方程式が得られることをお話します。くわえて、複素指数関数の性質について復習し、複素指数関数がどのような波を表すかを考えます。 はじめに: 化学者に数学は必要ですか? 数学ができると化学がもっと面白くなる と思い、この記事を書こうと思いました。 s 軌道が球状であるのに、p 軌道がダンベル状なのはなぜでしょうか。軌道のエネルギー準位が上がるにつれて、軌道に節が増えるのはなぜでしょうか。こういった疑問を解くために量子化学を学ぼうと意気込むと、数学の壁にぶち当たります。付け焼き刃の計算テクニックを身につけて微分方程式や行列を演算できても、数式の意味まで味わえるのはまた別の話です。 本連載は、計算テクニックではない数学の考え方に立ち返り、それを化学の知識と結びつけることを目標とします。今回のテーマはシュレディンガー方程式です。ここから 3 回くらいにわけて、最終的に共役ポリエンの π 軌道の形と数学を結び付けたいと考えています。 そもそもシュレディンガー方程式って何? 物理のための数学教科書. 原子スケールの自然法則を支配する基本方程式です 。その形式は次のような 位置と時間に関する偏微分方程式 です 。 この方程式は、電子の 粒子と波動の二重性 を統合するために考案されました。 こんな式が天下り的に与えられても、次の疑問が浮かびます。 この微分方程式はどこから湧いてきたの? 複素数 i が登場してるけど、物理的にはどういうこと? この記事では、これらの疑問に答えられるように、シュレディンガー方程式の起源に迫ります。ただし、いきなり複雑な三次元の方程式を導くのは骨が折れるので、ポテンシャルエネルギーのない一次元のシュレディンガー方程式を導くことにします。 シュレディンガー方程式はどこから湧いてきたの?
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微分という完全に数学的な操作によって、電子のエネルギーを抽出できるように仕掛けていた わけです。 同様に波動関数を x で微分して運動エネルギーを抽出したいところですが、運動エネルギーには p 2 が必要です。難しいことはありません。1 階微分で関数の形が変わらないことはわかっているので、単に 2 回微分することで、p が 2 回出てくることが想像できます。 偏微分の結果をまとめましょう。右辺が運動エネルギーになるように両辺に係数を掛けてやります。 この式は、「 波動関数を 2 回位置微分する (と同時におまじないの係数をかける) と、関数の形は変えずに 運動エネルギーを抽出できる 」ことを表しています。 Step 5: 力学的エネルギーの公式を再現する 最後の仕上げです。E = p 2 /2m の公式と今までの結果を見比べます。すると、波動関数の時間微分 (におまじないを掛けたもの) と波動関数の位置の 2 階微分 (におまじないを掛けたもの) が結びつくことがわかります。これらを等式で結べば、位置エネルギーがない一次元のシュレディンガー方程式になります。 ここから大胆に飛躍して、ポテンシャルエネルギー V を与えて、三次元に拡張すれば、無事一般的なシュレディンガー方程式となります。 で、このシュレディンガー方程式はどういう意味? 「 ある関数から微分によって運動量やエネルギーをそれぞれ抽出すると、古典的なエネルギーの関係が成り立った。そのような関数はなーんだ? 数学的準備 | 高校物理の備忘録. 」という問題を出題してるようです (2) 。導出の過程を踏まえると、なんらかの物理的な状況を想定しているわけではなく、完全に数学的な操作で導出されたようにさえ見えます。しかし実際に、この方程式を解いて得られた波動関数は実験事実をうまく説明できるのです。そのことについては、次回以降の記事でお話しすることにします。 ともかく、シュレディンガー方程式の起源に迫ることができたので、この記事の残りを使って「なぜ複素数を使ったのか?」という疑問について考えます。 どうして複素数をつかったの? 三角関数では微分するごとに sin とcos が入れ替わって厄介 だからです。たとえば sin 関数を t で微分すると、t の係数が飛び出てきて、sin 関数は cos 関数に変わってしまいます (下式)。これでは「関数の形を変えずに E を抽出する」ことができません。 どうして複素数の指数関数が波を表すの?
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修博一貫プログラム 科学技術や社会イノベーションに広く影響を与える力を鍛えることによって、基礎科学の専門人材のポテンシャルを最大化する5年間の修士博士一貫プログラム 海外での研究活動 世界で活躍するための力を経験から身につけられるよう、海外のトップレベル研究者との共同研究や海外の企業におけるインターンシップの旅費等を支援 経済的支援 学業・研究に専念できるよう、プログラム生に卓越RA(リサーチ・アシスタント)業務を委嘱し、委嘱した研究業務に対する対価として月額17–18万円を支給 英語力アップ プログラムを通じて英語力を鍛えられるよう、Academic Writing and Presentationの講義を必修とする他、講義やセミナーを英語で提供 学外連携先機関 カリフォルニア大学バークレイ校、カリフォルニア工科大学、ハーバード大学、プリンストン大学、数理科学研究所、韓国高等科学院、ソウル国立大学、清華大学、北京大学、国立台湾大学、スイス連邦工科大学チューリッヒ校、ポール・シェラー研究所、欧州原子核研究機構、エコールポリテクニーク、リヨン高等師範学校、フランス高等科学研究所、ロシア国立研究大学高等経済学院、日本製鉄、NTT、マクロミル
『物理入門コース』のシリーズの物理数学に当たる本です。 なお、対応した演習書も存在します。 私は院試対策に演習書とあわせて購入しました。 やってみて気づいた特徴、長所、短所をあげたいと思います。 構成は、 線形代数、常微分方程式、 ベクトル解析、多重積分(面積分、線積分)、 フーリエ展開(級数)、偏微分方程式 となります。 やはり内容は丁寧で、大学初学年の微分積分学があれば じっくり計算をたどって最後まで読むことはできるでしょう。 ただ数学なので演習は必要です。 本書について気に入っている点は、本書や演習書の問題の選び方です。 物理数学は基本的に「物理の問題を解くための数学」であると思います。 本書はいろいろな物理分野から、その単元に関連した問題を選んでおり 物理に少し興味のある学生なら、演習はそれほど苦にはならないと思いますよ。 私にはありがたい本でした。2次元熱伝導方程式は院試にも出ましたし。(おかげで解けました) (短所) ''* 物理数学は本書で終わりではありません。本書にない内容では ・複素関数論 ・特殊関数 ・ラプラス変換 などが重要なものとして残っています。 ですが、本書は物理数学の基礎をマスターするにはいい本だと思うので、 残りの分野は必要になったら参考書を開けるのでいいのではないでしょうか? ''* 第2章 線形代数がわかりにくかった。 だいたい1冊かかる内容を1章分でやろうとしているので、必要な内容、演習が足りないのではないかと感じた。 特に第2章最後にある「テンソル」は、わかりにくかったので、初読の際には飛ばしてしまいました。 旧版は分厚い本でしたが、新装版では内容、ページ数は変わらずそのままで厚さが薄くなりました。そのため、以前のより紙は折れやすいのでそこは注意が必要かもしれません。持ち運びがしやすくなったことはとても嬉しいところです。
物理を正確に語るための言葉として, 数学は避けられない. universo é scritto in lingua matematica — 宇宙は数学の言葉で書かれている — (Galileo Galilei)