近代物理学の展開と矛盾の拡大:その列挙

1熱学・気体分子運動論
カルノー(1796-1832)『火の動力についての省察
 カルノーは熱素説を信じていたが、「熱は運動の原因になることができ、しかもそれが非常に大きな動力を持つことを知らぬ人はいない。今日ひろく普及している蒸気機関が、そのことを誰の目にも明らかに証明している。」と述べ、「熱から動力が発生するとき、必ず高温から低温への熱の移動が伴う」こと、また「熱平衡状態の下では熱から動力を得ることはできない」こと、および断熱膨張で温度が下がり、断熱圧縮で温度が上がるという事実に注目し、理想的な熱機関(=カルノー機関)を考察し、これを越える熱機関は有り得ないことを示した。彼の理想機関は可逆機関でもある。
クラウジウス(1822-1888)の熱力学の2大法則
(1)仕事は熱に、また熱は仕事に変わることができるが、そのとき一方の量は他方の量に常に比例する(ジュール(1818-1889)は熱の仕事当量にかんする測定を1845年から1878年までの約30年にわたって行った)。
(2)何の変化も残さずに熱は低温物体から高温物体へ移ることはできない。つまり、可逆過程ではエントロピーは保存され、非可逆過程は必ずエントロピーは増加する。
 クラウジウスは熱素説にもとづいて作られた気体の諸性質を分子運動の立場から書き直そうとした。
 マックスウエル(1831-1879)は気体の諸性質を分子運動の結果として導出する立場(統計的方法)をとり、気体の速度分布、エネルギー等分配則、ボイル・シャールの法則、アヴォガドロの仮説を導いた。
 ボルツマン(1844-1906)は非平衡状態にある分子集団が非可逆的に、一意的な平衡状態に達することの力学的保証をもとめ、平衡状態の条件からマックスウエルの分布関数を導き、また彼の導いたH関数が熱力学のエントロピーと関係していることも明かとなり、熱力学の第2法則の統計的証明がなされたと考えた。彼の導いたものはボルツマンのH定理と呼ばれている。
 分子運動論の前提は分子の衝突における力学的法則と確率論である。それはまた「どのような条件のもとで力学系の時間的平均が力学系の空間的平均に等しいか」というエルゴード仮説でもある。
2電磁気学
 天然の磁石が鉄をひきつけたり、琥珀を摩擦すると小さな塵をひきつけたりすることは古くから知られていた。ギルバートの『磁石について』は1600年に出されている。1733年にデユ・フェーは電気に2種類あることを見つけた。(電気の2流体説)
 1785年にフランスのクーロン(1738-1806)によって「2つの同種に帯電した2球間の斥力は、その球の中心間の距離の2乗に反比例する(クーロンの法則)」が確かめられた。1820年にデンマークのエルステッド(1757-1851)によって「電流の磁気作用」が見いだされ、アンペール(1775-1836)、ガウス(1777-1855)およびオーム(1787-1854)によって、電流の作る磁場と電流が導体を流れる仕方(磁極はそれと電流の流れる針金とを結ぶ線に直角の方向に動かされる)との理解を定量的かつ数学的に明らかにした。
 1831年にイギリスのファラデー(1791-1867)によって電磁誘導が発見され、1837年には近接作用論の立場からの電磁理論の基礎が確立された。(電磁場の概念)
 1864年にスコットランドのマックスウエルは「電磁場の動力学的理論」を発表し、光の電磁理論と電磁波の存在を予言した。
 1887年にドイツのヘルツ(1857-1894)はマックスウエルの予言した電磁波が存在することの実験に成功した。
 ニュートンは光は小さい粒子であると考えていたが、これに対しホイヘンス(1629-1695)は光の波動説を唱えていた。光の波動説は光の「直進」、「回折」、「反射」、「屈折」、「干渉」、「分散」などの諸性質をうまく説明できた。ホイヘンスは「真空」中にあっても光を伝える「エーテル」を考えていた。マックスウエルによって光が電磁波であることが明かとなり、この波を伝える媒質としての「エーテル」の存在が問題となってきた。
マイケルソン(1852-1931)とモーレー(1838-1923)の実験(1887)
 2人は地球とエーテルとの相対運動を発見する目的で実験を行ったが、結果は否定的であった。エーテルが地球の表面に対して静止しているという結果となった。
3原子論と放射能の発見
 イギリスの化学者ドールトン(1766-1844)は1808年に「化学の新体系」の第1巻を発表し、原子論を組織的に展開した。以来イタリアのアボガドロ(1776-1856)の分子論の提唱(1811)もあり、さらに気体分子運動論も一定の成功をおさめた。分子はいくつかの原子の結合体として理解され、物質の究極の粒子としての原子はこれ以上分割できないものと考えられていた。
 1869年にドイツのヒットルフによって陰極線が発見され、1897年にJ.J.トムソン(1856-1940)は陰極線が電子の流れであることを確認した。電子は全ての物質に含まれていることもわかってきた。真空放電の研究から1895年にはドイツのレントゲン(1845-1923)がX線を発見し、それが大変短い電磁波であることも明かとなった。
 1896年にはフランスのベクレル(1852-1908)がウラン放射能を発見し、1898年にはフランスのキュリー夫人(1859-1906、1871-1934)が放射性元素ラジウムポロニウムを発見した。
 原子は究極的に安定ではないものもあり、その構造が問題となった。1904年にトムソンは、プラスの電気を帯びた流体的物質が原子全体にわたって存在しており、そのなかに多くの電子が特別の配位をもって運動しているというトムソンの原子模型を提出した。
 1911年にラザフォード(1871-1937)は、アルファ線と原子との衝突の実験を行い、原子はトムソン模型のようなものではなく、正電気をもった原子核のまわりを電子の群からなると考えた。しかし、そのような原子が安定に存在する理由はすぐには見つけることができなかった。光あるいは紫外線を金属に当てるとき、金属内にあった電子が照射した光のエネルギーを吸収して外に飛び出る現象(光電効果)があり、これは光の波動論では説明できなかった。