理学セミナー Science Seminar

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担当教員: 各教員（類主任）

使用教室: 金1-2(H121,W834)

単位数: 講義：2 演習：0 実験：0

講義コード: 4101

シラバス更新日: 2008年10月1日

講義資料更新日: 2008年10月1日

学期: 後期 / 推奨学期：-

概要

講義概要

理学における最近のトピックスについて，入門的講義を行う。また科学技術者倫理教育を行う。

講義の目的

Ａ．学期を前半（第１ラウンド）と後半（第２ラウンド）に分け,第１ラウンドでは,各学科等（数学科,物理学科,化学科,情報科学科,地球惑星科学科,原子炉研究所,総合理工学研究科）が研究の最前線を紹介する.
第２ラウンドでは,上記の７分野にクラス分けし,少人数を対象とした講義,セミナー等を受ける.
　各学科等の講義のねらいは,各学科の講義のねらいのところに記載されている。
また、第２ラウンドの期間中、科学技術倫理に関わる視点を養うため科学技術者倫理教育の講義が行われる。本年度は、鹿島建設（株）の利穂吉彦氏が講義を行う。

Ｂ．数学ではピタゴラスの定理、微分積分以外に一体何をやっているのだろうか。と思うかもしれませんが、現在でも結構いろいろなことがやられています。今までに習ってきた数学では計算が主だったと思いますが、それとは別の数学の世界があるのです。純粋に面白いから研究していたら思わぬ応用があったということも数多くあります。この講義では学校で習ってきた数学とは違ったいろいろな数学の話を紹介します。

Ｃ．極低温で見られるヘリウムの超流動や超伝導現象は、量子力学効果が目に見える形で現れる物理現象で、それ自体興味ある研究対象であるだけでなく、これらの現象を理解することは現代物理学で現われる重要な考え方を学ぶことにもつながる。少人数の輪講形式で関連するテキスト（長岡洋介著「低温・超伝導・高温超伝導」丸善他）および文献を読み、全員で議論をしながら理解を深めていく。さらに、実際に実験を行い極低温の世界を体験することも予定している。

Ｄ．「相対性理論の考え方」
アインシュタインが特殊および一般相対性理論を世に送り出してから，ほぼ１００年が経過しようとしている．しかし，対象としている現象が，我々の身の回りのそれに比べてかけ離れていることもあり，現在においても講義などで十分な説明が行われているとは言い難い状況である．そこで本ゼミでは，平易な入門書を用いて，特殊相対論および一般相対論の基礎を“わかる”ことに重点を置いて，輪講方式で講義を進める．

Ｅ．「ブラックホールと時空のゆがみ」
相対性理論のもっとも驚くべき予言はブラックホールの存在であろう。難解な数学を用いることなく、ブラックホールのなぞに迫ってみたい。また、それらの研究の中で生じた人間ドラマから学ぶことも大きい。輪講方式で講義を深める。

Ｆ．Feynmanは20世紀を代表する理論物理学者ですが、学部生用の物理の教科書シリーズが日本語にも訳されているので、皆さんにとってお身近に感じられる存在でしょう。幸いなことに、1961年に彼がカリフォルニア工科大学で行った物理学入門の講義の様子が録音されており、それをほとんどそのまま書き起こしたものが「Six Easy Pieces」という書籍として出版されています。そこで取り扱われている内容はいずれも物理学の基本的な概念ですが、彼の講義は独創的で機知と熱意に満ちあふれています。また、彼の講義にはいたるところユーモアがちりばめられており、それに呼応する学生たちの笑い声も録音に残っており、自分も講義室で一緒に授業を受けているような気持ちになれます。彼が残してくれた貴重な教材を使って、物理学の基本概念にアプローチします。

Ｇ．「粒子加速器が拓く素粒子物理」をテーマとする。人も地球も星も、クォークと電子から構成されているが、このような基本的な粒子からどのような力によって我々の世界ができているかは、物理学の興味ある研究対象である。近年の素粒子物理は、粒子加速器の発展によって急激な進歩をとげてきた。宇宙初期の状態を地上の実験室で実現したり、基本的な対称性の検証ができるようになった。世界の各地にある粒子加速器とそこで行われてきた素粒子物理研究を、英語および日本語の解説文を読みながら学ぶ。

Ｈ．分子や原子はどんな働きをするのだろう。目的の機能を持つ分子を設計・合成するにはどの様な戦略が必要か。多様で魅力的な分子の世界を理解し自在に操ることが化学の大きな目的です。近年の化学および関連分野の急速な発展に伴い、研究対象となる分子は、単純な1原子分子からDNAやタンパク質などの巨大な生体分子、カーボンナノチューブやデンドリマーなどの人工超分子へと広がってきました。また、解析手法の進展によって、分子の形をその場で観測したり、分子の振動や化学反応の時間変化を直接観測することも可能になっています。個々の分子の挙動により形づくられるミクロな世界、ミクロな現象の積み重ねだけでは理解できない複雑なマクロの世界、そしてその中間のサイズを持つ、近年注目されているナノサイズワールド。化学は、分子や原子が織りなすこれらの魅力的な研究対象への多彩なアプローチを提供し、そこから運ばれてくるメッセージをみなさんに伝えます。

Ｉ．地球惑星科学科では、物理学、数学、化学、地質学、岩石学、鉱物学など、様々な専門的立場から、地球あるいは太陽系の45億年にわたる進化の歴史を、統一的に理解しようとしています。本セミナーでは、地球惑星科学科の研究グループが精力的に取り組んでいる研究テーマとその世界的な研究協力体制、さらには日本が進めている惑星探査計画などを、最新の結果をまじえてわかりやすく紹介します。

Ｊ．学期を前半（第１ラウンド）と後半（第２ラウンド）に分け，第１ラウンドでは，情報科学科の紹介ののち，ソフトウェアはどうやって動くのか，について解説する．第２ラウンドの情報科学科のクラスでは，４～５人の教員がそれぞれの専門の立場から情報科学のいろいろな側面を分かりやすく解説する．

Ｋ．大岡山キャンパスの北地区にある原子炉工学研究所では、天体内部（宇宙・惑星創成）、核融合プラズマ（太陽エネルギー）、希薄プラズマを対象にした物理、粒子ビーム加速装置を用いた原子・原子核物理実験や放射線医療応用に関する物理学、ナノレベルでの構造と物性の科学、放射線照射下の固体材料に関する材料物理科学、放射線の人体影響の理解と医学応用の基礎となる放射線生物学、同位体の化学、レーザーと原子分子の物理学・物理化学など、理学部と同様に基礎科学に関する研究が数多く行われています。本セミナーでは、これらの中からいくつかのトピックスを紹介し、その中からテーマを１つ選択して頂き、演習および実験を通して、その分野への入門として実習体験することを目的とします。

Ｌ．大学院総合理工研究科は、すずかけ台キャンパスにあり、新しく発展しつつある学際領域、すなわち既存の学問と学問の境界領域の、教育・研究を行う大学院である。講義では、本研究科で展開されている最新の研究を分かりやすく紹介する。この際、教員の研究に取り組む情熱と研究に従事する楽しさも受講者諸君に伝えたい。また、本講義は、受講者諸君が将来大学院への進学を考える際にも参考となると考える。

講義計画

Ａ．各学科等の講義計画のところに記載されている。

Ｂ．第1ラウンドでは1回、第2ラウンドでは2回連続の講演を行う。
その講演内容は以下の通りである：

『代数学と幾何学』　藤田隆夫教授（第1ラウンド）
　代数学とは大雑把に言えば加減乗除の四則演算に関する数学である。その中にもいろいろある：いろいろな数、特に整数の性質を研究するのが（代数的）整数論だし、代数的な手法で図形の研究をするのが代数幾何学である。この講義では現代の代数幾何学の背後にある考え方、思想の一端を紹介してみたい。そして、我々が普通に思い浮かべる（いわば目に見える）図形とは全く異なる「図形」の存在が代数的観点に立てば感じられたりもすることを説明したい。

『曲面のオイラー数と正多面体の仲間』増田一男准教授（第２ラウンド）

球面やドーナツ面さらに穴の数の多い曲面などを調べるのにオイラー数という数はとても役に立ちます。多面体も２次元的なので曲面ですが、頂点の数ー辺の数＋面の数がオイラー数です。立方体や正４面体などの正多面体が５種類しかないことはオイラー数を使うとすぐわかります。

星形正５角形などを面とするなど一般化された正多面体がいくつあるかを調べるのに行列が使われます。色々な多面体の例や、行列が図形にどのように応用されるかなどの話をします。

『素数判定法をめぐって』　佐藤孝和准教授 (第２ラウンド)

自然数が与えられたときにそれが素数であるかどうかを判定する方法を考えてみたいと思います。「そんなの簡単さ！中学校で習った」という声が聞こえてきそうですが、本当に「簡単」でしょうか？たとえば

112233445566778899001122334455667788991 は素数でしょうか？下手をすると最新鋭のコンピュータを使っても判定するのに何年もかかってしまいます。でも、整数論を上手に使えばパソコンでも1分もかからずに判定できます。

　この講義では見掛けは非常に単純だが実は難しい問題に対して整数論がどのように使われているか、効率良く計算するということはどういうことかを紹介してみたいと思います。

Ｃ．１　絶対零度への道
　　２　超流動とは何か？
　　３　電気伝導と超伝導
　　４　超伝導の応用と高温超伝導

Ｄ．1. 特殊相対論とローレンツ変換
　　2. ４次元時空
　　3. 相対性力学
　　4. ローレンツ変換の物理
　　5. マクスウェル方程式の共変性
　　6. 一般相対論入門

Ｅ．1.特殊相対論と一般相対性理論
　　2.ブラックホールの「発見」と星の最大質量
　　3.重力崩壊とブラックホール
　　4.ブラックホール物理学
　　5.ブラックホールの観測的証拠

Ｆ．Feynman著「Six Easy Pieces」を聴き読む。
1）Atoms in Motion
2)Basic Physics
3)The Relation of Physics to Other Science
4)Conservarion of Energy
5)The Theory of Gravitation
6)Quantum Behavior
からいくつか選んで、聴講します。

Ｇ．１．ヨーロッパＣＥＲＮの加速器－LHCの世界最高エネルギーの陽子衝突実験が拓く物理
２．ヨーロッパＤＥＳＹの加速器と陽子の内部構造をさぐる実験
３．アメリカＢＮＬの加速器と陽子スピンの実験、および宇宙初期のクォークグルーオンプラズマを生成する実験
４．ニュートリノを用いた実験、ニュートリノに質量があるか。日本のＫＥＫ，Ｊ－ＰＡＲＣ，
アメリカＦＮＡＬなど。
５．日本のＫＥＫ－Ｂ factoryにおけるクォークの物理、東海村Ｊ－PARC の物理
６．東工大の小型粒子加速器ヴァンデグラフの見学

Ｈ．本セミナーでは、化学の第一線で研究している先生方に登場していただきます。それぞれの専門分野は、化学の多様性を反映して大きく広がっており、その中でもホットな話題中心に、最先端の研究についてやさしく語っていただきます。参加した学生諸君は、様々な側面から分子の世界の不思議と化学の魅力を感じることができるでしょう。また、第2ラウンドでは、普段の授業とは異なり、実習や研究室の見学会など、少人数セミナーならではの授業が展開されます。実際に研究を行っている場で、大学院生への質問もできます。化学科では、皆さんの積極的な参加を歓迎します。

Ｉ．Fゼミは、講義期間を第1ラウンドと第2ラウンドにわけて進められます。第1ラウンドでは、数・物・地惑共通のセミナーを行い、理学部が携わっている研究のオーバービューを行います。第2ラウンドでは、地球惑星科学科の教授陣が、セミナー形式で最新の研究成果を紹介します。発表内容が専門的に偏り、学生にとって難解なものになるのを避けることに留意した、わかりやすいセミナーとします。

Ｊ．今年度の計画は未定だが，参考までに昨年度（平成１９年度）の情報科学科関係のプログラムを以下に示す．

第1 ラウンド(10 月12 日(金) 9:45-10:30, 本館2 階H121 講義室) 　

「情報科学科の紹介、非線形解析学と凸解析学」高橋渉教授　

情報科学科の全体的な紹介を行う。情報科学科の各教員の専門分野を紹介するとともに、情報科学科の教育・研究システムについて解説する。また、情報科学科の大学院組織である情報科学研究科の数理・計算科学専攻についても紹介する。さらに、「新しい数学-非線形解析学と凸解析学について」と題して下記のとおり解説する。近年、非線形数学とコンピュータの急速な進歩とともに、種々の分野で発生する非線形の問題の究明が可能となってきている。この非線形問題の究明において理論の中核をなすのが非線形解析学と凸解析学である。ここでは非線形の問題と直接関係のある、しかもわかりやすい不動点定理をあまり高度の知識を要求することなく解説する。さらに、そのような不動点定理が微分の拡張である劣微分などを通してどのように非線形微分方程式や非線形最適化問題などの非線形問題と結びついていくか等についても解説する。

第2 ラウンド(11 月22 日(金) － 1 月30 日(木)) 　

開催日時・場所: 以下の開講日の1・2 限, 西8 号館E 棟3 階W833 講義室

11 月22 日(木), 1 月30 日(木) 　

「理学を楽しむフリーな計算機ソフト、特に統計解析言語環境R の紹介」間瀬茂教授　

理学部での教育・研究には大かれ少なかれ計算機ソフトの使用が欠かせない。こうした定番ソフトはしばしば高額の有料ソフトであり、自宅での使用、さらには社会に出た途端使えなくなることも多い。この講義では、フリーで使える高機能ソフトをいくつか紹介する。特に統計解析システムの世界的標準になりつつある統計解析言語・環境R は、オープンソースソフトでありながら極めて高機能であり、本来の統計処理機能だけで無く、数値計算、シミュレーション用にも便利である。

11 月30 日(金), 1 月16 日(水) 「確率モデルとその応用」三好直人准教授　

ボールとビンを用いた簡単な確率モデルを紹介し、いくつかの身近な問題がボールとビンの確率モデルとして表されることを述べる。さらに、このモデルが実社会においてどのように応用されるのかについて解説する。

12 月7 日(金), 1 月25 日(金)「ソフトウェアのセキュリティ」柴山悦哉教授　

電力網などの重要インフラ、医療機器などの人命にかかわる装置群、オンライン決済などの金融システム等々が、今日ではソフトウェアで制御されている。一方、ソフトウェアには多くのバグが含まれているのが現実であり、ソフトウェアの弱点を突いた意図的攻撃も少なくない。ソフトウェアのセキュリティの現状を概観し、原理的な課題、今後の展望などを概説する。

12 月14 日(金), 1 月11 日(金) 「数学とコンピュータ」小島定吉教授　

現代数学研究における計算機科学やコンピュータの役割を、例を取り上げできるだけ具体的に紹介する。

問い合わせ先：下平英寿（西8W-707、内線3219）

Ｋ．第1ラウンドでは小栗慶之准教授が、エネルギー・環境問題の基礎と、加速器を用いた粒子ビーム・放射線の各種応用（核融合，環境・医療応用など）など、基礎科学と原子力との結びつきなどに関する入門的な講義、および原子炉研の紹介を行います。
　第2ラウンドでは、以下の3つのサブコースから1つを選択して頂き、それぞれの教員に、入門的実験・演習を指導してもらいます。どのグループが第2ラウンドの前半／後半になるかは、追って連絡致します。
（1）関本　博　教授（仮題：原子炉物理学入門）
（2）藤井靖彦　教授、野村雅夫助教、鈴木達也助教（安定同位体の化学）
（3）松本義久　准教授（放射線生物学・医学入門）

Ｌ．講義期間を第1ラウンド、倫理教育と第2ラウンドに分けて実施される。第1ラウンドでは理学部の各学科と大学院総合理工学研究科と原子炉工学研究所が各々の概要と研究例を紹介する。
第2ラウンドでは、大学院総合理工学研究科のいくつかの専攻が代表して研究を講述し、大学院で進行している最先端研究について分かりやすく説明を行う予定である。本年度のプログラムは未定であるが、昨年度（平成19年度）に行われたプログラムは下記の通りである。
　なお、今年度の実施詳細については、第一ラウンドの際に配布する予定である。

〔第1ラウンド〕　１１月2 日（金）　9:45～10:30　本館２階H121講義室

　小林　隆夫　教授（物理情報システム専攻）

「大学院総合理工学研究科の紹介」

「音声情報メディアとヒューマンコンピュータインタラクション」

〔第2ラウンド・前半〕　W834講義室（西８Ｅ号館３階）　9:00 ? 10:30

11月　22日（木）「物質と光の相互作用について」

和田　裕之　准教授（物質科学創造専攻）

11月30日（金）　「電池技術の最前線とそれを支える材料研究」

山田淳夫　准教授　（物質電子化学専攻）

12月 7 日（金）　「超高圧力が拓く新たな物質世界」

阿藤　敏行　准教授（材料物理科学専攻）．

12月14日（金）「高エネルギー密度プラズマ科学の最前線」

河村　徹　講師（創造エネルギー専攻）

〔第2ラウンド・後半〕　W834講義室（西８Ｅ号館３階）　　9:00 ? 10:30

1月11日（金）「新材料が拓く未来のエレクトロニクス・フォトニクス」

宗片　比呂夫　教授（物理電子システム創造専攻）

1月16日（水）「「観る」生物学に対する「つくる」生命科学」

木賀　大介　准教授（知能システム科学専攻）

1月　25日（金）「高品質なディジタル映像システムの技術と応用」

山口雅浩　准教授（物理情報システム専攻）

1月30日（水）　「地球環境の変化を長期的に考える」

衣笠　善博　教授（環境理工学創造専攻）

教科書・参考書等

Ａ．各学科等の担当教員がテキスト等のところに記載している。

Ｂ．なし

Ｃ．プリントを準備する。

Ｄ．砂川重信著「相対性理論の考え方」岩波書店

Ｅ．キップ・ソーン著、林・塚原訳「ブラックホールと時空の歪み」白揚社

Ｆ．「Six Easy Pieces」Preseus book $13でwebでも簡単に入手できます。録音教材はCDあるいはMP3ファイルで貸し出します

Ｇ．随時、資料を渡します。

Ｉ．地球惑星科学の入門書としては、岩波講座地球惑星科学1「地球惑星科学入門」がある。より専門的なテキストについては、各教員より紹介がある。

Ｋ．特に使用しません。必要に応じて資料を用意します。

Ｌ．教室で適宜資料等を配布する。

成績評価

Ａ．第1ラウンド,科学技術倫理,第2ラウンドの合計点による

Ｂ．出席、及びレポートに基づく。

Ｃ．出席のほか、発表内容、議論への参加度も考慮する。

Ｆ．出席等による。

Ｇ．出席、発表、レポートなど

Ｈ．出席と、ゼミ中の態度、課題レポート等で総合的に評価します。

Ｉ．各セミナーの出席および活動度をもとに総合的に判断します。

Ｋ．出席、実験・実習時の態度、レポート等により総合的に評価します。

Ｌ．出席、レポート等により評価する。

担当教員の一言

Ａ．各学科等の教員が研究の最前線をわかりやすく紹介するので、積極的に講義、セミナー等を受けるとよい。

Ｂ．数学の研究というと、イメージが湧かないという人も多いと思いますが、この授業で分かる分からないは別としてイメージをつかんで下さい。

Ｃ．セミナーを通して自分の考えを相手に伝えること、そして皆で議論をしていく中で理解を深めていくことを経験してもらいたいと思います。

Ｄ．相対論とくに一般相対論となると，なんとなく「難しそうだ」という思いこみを持っている人が多いのではないでしょうか．そのようなアレルギーを取り除く一助となれば幸いです．

Ｆ．講義でしゃべったことを活字にすると、それがそのまま教科書になってしまうという彼の天才ぶりには驚かされます。皆さんもそれにあやかって、物理、English reading、hearingの一石三鳥をねらってみませんか。

Ｇ．科学で使う英語について、受動的な英語（読む、聞く）だけでなく、能動的な英語（発表する、書く）に馴れる機会を提供します。

Ｈ．2000－02年のノーベル化学賞3年連続受賞で象徴的に示されるように、日本の化学研究は、世界のトップクラスのレベルを誇っており、その中でも、東工大の化学科は、基礎研究において中心的な役割を果たしています。その最前線の研究を体験できる機会ですので、積極的に参加してください。

Ｉ．セミナー形式の授業ですので、学生の皆さんにも、講義進行に積極的に参加していただくことになります。他とは違った講義になりますので、楽しみにしてください。また、講義は時間厳守でおこないますので、遅刻者の入室は原則的に認めません。ご注意下さい。

Ｋ．現在、原子炉工学研究所では原子力・核エネルギーの工学的研究の他に、基礎科学そのものの研究も幅広く行っています。皆さんが興味を持ち、これからの学修でさらに理解を深めたくなるような研究分野が見つかると信じています。それ以降の理学部での学修に、そしてその後もきっと役に立つことと思います。ぜひ受講して下さい。

Ｌ．大学院総合理工学研究科は既存の学問と学問の境界領域に出現しつつある新しい分野を探求する研究者が集まる大学院である。将来、諸君が新規な分野への進学を希望する場合に、本セミナーは有意義な情報となろう。