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数学と物理学の関係

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数学と物理学の関係（すうがくとぶつりがくのかんけい、英: Relationship between mathematics and physics）は、数学と物理学の関係性。古代以来、哲学者・数学者・物理学者によって研究され、より近年では歴史家や教育学者によっても論じられてきた[1]。一般にきわめて親密な関係と考えられており[2]、数学は「物理学に不可欠な道具」と[3]、物理学は「数学における豊かな着想と洞察の源泉」と形容されてきた[4]。

最も古く、かつ頻繁に議論されてきた主題には、両分野の主要な相違、相互影響、物理学における数学的厳密性の役割、そして数学が物理学で有効に機能することをどう説明するかという問題が含まれる。

アリストテレスは著作『自然学』で、数学者の研究が物理学者の研究といかに異なるかという主題を扱っている[5]。数学が自然の言語であるという考察は、ピタゴラス派の思想にも見られる。すなわち「数が世界を支配する」「万物は数である」という確信であり[6][7]、二千年後にはガリレオ・ガリレイも「自然という書物は数学という言語で記されている」と述べている[8][9]。

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歴史的相互作用

球の体積公式に対する厳密な数学的証明を与える前に、アルキメデスは天秤上での物体の釣り合いを想像するなど、物理的な推論を用いて解に到達した[10]。アリストテレスは、物理学と数学を理論的諸学に分類し、これを実践的諸学（倫理学・政治学など）や生産的諸学（医学・植物学など）と区別した[11]。

17世紀以降、数学における最重要の多くの進展は物理学の研究によって動機づけられ、その後の世紀でも続いた（もっとも19世紀には数学がしだいに物理学から独立性を高めていった）[12][13]。微積分の創出と発展は物理学の必要性と強く結びついていた[14]。ガリレオやアイザック・ニュートンらの業績から生じた新しい力学を扱うための新たな数学言語が求められたのである[15]。導関数の概念が必要とされたが、ニュートンには現代的な極限概念はなく、代わりに無限小量を用いた。これは当時、厳密な基礎づけを欠いていた[16]。この時期、物理学と数学の区別はほとんどなく[17]、例えばニュートンは幾何学を力学の一部門と見なしていた[18]。

非ユークリッド幾何学（カール・フリードリヒ・ガウス、ボーヤイ・ヤーノシュ、ニコライ・ロバチェフスキー、ベルンハルト・リーマンによって定式化）は、物理学を単一のユークリッド幾何という制約から解放した[19]。その一形式であるリーマン幾何学は、アルベルト・アインシュタインが一般相対性理論を構築するための主要な数学的枠組みを与えた[20]。

19世紀、オーギュスト・コントは科学の階層において、数学に依存するがゆえに物理学と天文学を数学より一般性が低くかつ複雑な学として位置づけた[21]。1900年、ダフィット・ヒルベルトは数学の発展のための23の問題の中で、物理学の公理化を第6問題とした。この問題は未解決のままである[22]。

1930年、ポール・ディラックは、積分に現れると一点の値を拾い上げるような挙動をするディラックのデルタ関数を導入したが、その数学的厳密性には疑義があった。のちに数学者ローラン・シュワルツがシュワルツ超函数を発展させ、その基礎づけを与えた[23]。

両分野の連関は、しばしば異なる名称が付けられた同種の概念を対応づけるだけで見えてくる。1975年のウー・ヤン・ディクショナリ（英語版）[24]は、ゲージ理論の概念を微分幾何の概念と対応させて示した好例である[25]。

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物理学は数学ではない

数学と物理の関係は密接だが、両者は同義ではない。数学では対象を厳密に定義し、論理的に関連づけることができるが、その対象は実験的測定と関係を持つ必要はない。物理学における定義は、自然界を前にすれば抽象化や理想化であり、自然と比較したときに目的に照らして十分な近似である。

1960年、ゲオルク・ラッシュは、ニュートンの法則でさえも含めて「どのモデルも真ではない」と述べ、モデルは真偽ではなく与えられた目的への適用可能性で評価すべきだと強調した[26]。たとえば、ニュートンは観測に基づいて といった定義の周りに物理モデルを築き、微積分の発展と高精度の惑星力学へと導いたが、その後この定義はより改良された力学モデルによって置き換えられた[27]。数学は、その性質を確実に知りうる対象を扱う[28]。デイヴィッド・ヒュームによれば、観念それ自体だけを扱う命題（数学で出会うような命題）は確実に真であると示しうるが、現実世界の経験に関わる結論はすべて「蓋然的推論」によってしか到達できない[29]。このことは、アルベルト・アインシュタインの言うところの次の状況へと帰着する。「どれほど多くの実験があっても、私が正しいことは証明できない。たった一つの実験が、私を誤りだと証明しうる[30]。」純粋数学の研究における最終目標は厳密な証明であるのに対し、物理学ではヒューリスティックな議論で最先端研究が進むこともある[31]。要するに、方法も目標も、物理学者と数学者では異なる[32]。それでもロラン・オムネス（英語版）によれば、数学の公理は単なる慣習ではなく、物理的起源を持つ[33]。

数学は物理学である

ロシア・ソ連の数学者ウラジーミル・アーノルドの有名な格言に「数学とは、実験が安上がりに済む物理学の一部である」というものがある[34][35]。この言い回しは論争やパロディすら生んだが、アーノルドはこれを擁護している[36]。数学者アーサー・ジャフィー（英語版）とフランク・クイン（英語版）は、厳密さをある程度犠牲にしてでも直観を重視する風潮が数学に見られると指摘し、その風潮は数学と物理の相互作用に起因すると示唆している[37]。W.V.O.クワインの確証ホーリズム（英語版）の枠組みでは、数学における信念であっても、物理学と同様に「経験の法廷」に付される[38][39]。

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物理学における厳密性の役割

厳密性は純粋数学において不可欠である[40]。しかし物理学の文献に見られる多くの定義や議論には、数学の厳密性の基準に達しない概念やアイデアが含まれることがある[31][41][42][43]。

たとえばフリーマン・ダイソンは、量子場理論には二つの「顔」があると特徴づけた。外向きの顔は自然に向けられており、そこで量子場理論の予測はきわめて成功している。内向きの顔は数学的基礎を覗くが、そこでは不整合や不可解さが見いだされる。すなわち、この物理理論の成功は、厳密な数学的裏づけの欠如にもかかわらず達成されているのである[44][45]。

ジャフィーとクインら一部の数学者は、非厳密な数学研究も場合によっては便益をもたらしうると主張する[37]。

哲学的問題

数理哲学で検討される問題には、次のようなものがある。

  • 物理世界の研究における数学の有効性の説明：
    この時点で、一つの謎が姿を現し、あらゆる時代を通じて探究心ある人々の心を揺さぶってきた。経験から独立した人間の思考の産物にすぎない数学が、現実の対象にこれほどまでに巧みに適合するのは、どうしてなのか？[46]
    —アルベルト・アインシュタイン、幾何学と経験（1921）
  • 数学と物理を明確に画定すること：ある成果や発見について、それが数学に属するのか物理に属するのか判然としない場合がある[47]。
  • 物理空間の幾何は何か？[48]
  • 数学の公理の起源は何か？[49]
  • 既存の数学は、物理理論の創造と発展にどのように影響するか？[50]
  • 数学は発明か発見か？[55]（マリオ・リヴィオ（英語版）らも論じる、古来の問い）
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教育

近年、この二つの学問は、相互関係が数多くあるにもかかわらず、別々に教えられるのが通例である[56]。このため、フェリックス・クライン、 リヒャルト・クーラント、ウラジーミル・アーノルド、モーリス・クライン（英語版）のように数学教育にも関心を持つ専門の数学者たちは、数学を自然科学により密接に関連づけて教えることを強く提唱してきた[57][58]。物理専攻の大学生向けの初年次数学科目は、多くの場合数学者が担当するが、その思考様式や、その後の物理の授業での使われ方について、物理学者と数学者の見方が異なるにもかかわらずそうなっている[59]。

関連項目

脚注

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