物理の実験は東京で行っても大阪で行ってもおよそ同じ結果が得られます。
このことは重要な意味を持っています。というのは，もし実験結果が場所によって全く違ったものになるならば，授業で使う教科書も場所によって全く違った内容になっていなければなりません・・・というのは冗談ですが，このように「空間方向に移動しても物事が変わらない」という性質は，実は「運動量保存の法則」という物理法則と密接に関係しています。
この例のように，物事に何らかの操作を施してもその物事が変化しない場合，その操作のことを「対称性」と呼びます。他の身近な対称性の例として，円形は「中心周りの回転」と「中心を通る軸に関する入れ替え」という操作を対称性として持っています。

自然界には実に様々な対称性が存在し，それらは様々な物理現象と関係します。また逆に「対称性の破れ」という概念も重要な物理的意味を持ちます。
この講義では特に自然界のミクロの世界，つまり素粒子の世界に存在する様々な対称性や，その対称性と関連した物理現象を紹介します。例えば私達の住む世界とそれを鏡に映した世界は同じ物理法則に従うかどうか，みなさんはどう思いますか？

重力は私たちが日常的に感じる身近な力です。ところが，実はミクロの世界における重力の仕組みはきちんと理解されていません。このことは現代物理学における最大の課題の一つであると言えます。
こうした課題に対してヒントを与えると期待されているのがブラックホールに関わる様々な理論的考察です。ブラックホールとは，光ですら抜け出すことのできない事象の地平面を持ち，外の人は中の様子を見ることができません。このことはブラックホールや重力が持つ様々な興味深い理論的性質を示唆します。
こうした性質は重力を構成する基本的自由度によって説明される必要があり，ミクロの世界における重力の仕組みの理解につながるのでは無いかと期待されています。

本講座ではこうしたテーマについて分かりやすく解説をします。

物質を構成する原子が十分なエネルギーを得ると，原子から電子が離れ，イオンと電子が自由に運動する状態となります。
この状態をプラズマといい，固体・液体・気体に続く，物質の第四状態とも呼ばれます。宇宙空間に存在し，観測可能な物質のほとんどがこの状態にあり，私たちの身近にも，太陽や稲妻，炎，蛍光灯などプラズマが存在します。
プラズマの研究は，原子核同士が融合する反応を利用した新たな発電方法の開発をはじめとして，宇宙物理学や医療・産業分野での応用など多岐にわたり盛んに行われています。

この講座では，演示実験を通してプラズマの性質を解説します。また，日本大学理工学部物理学科で行われている研究についてもいくつか紹介します。

アインシュタインによって提案された一般相対性理論は，重い物体の周囲で時空（時間＋空間）が歪むことを予言しています。そして，その後のさまざまな天体観測によって，その予言は見事に的中することが確かめられました。この時空の歪みは，水面の波紋のように，空間の中を波として伝わっていきます。これを「重力波」といいます。

重力波は，時空の歪みが真空中を伝わる現象であり，「時空のさざなみ」とも呼ばれます。
重力波と電磁波には多くの類似点がありますが，大きな違いは「相互作用の強さ」です。重力は非常に弱い力であるため，途中に障害物があっても，重力波はほとんど減衰せずに透過してしまいます。アインシュタインの予言からちょうど100年後の2015年9月，アメリカの重力波レーザー干渉計 LIGO と呼ばれる検出器によって，この重力波が初めて直接検出されました（2017年ノーベル物理学賞）。
このとき観測された重力波は，約13億光年彼方で2つのブラックホールが合体した際に生じたもので，ブラックホール連星の合体を初めて直接観測した瞬間でもありました。

重力波の極めて高い透過性のおかげで，約138億年前，宇宙が誕生した頃に発生した重力波も，当時の情報を保ったまま宇宙空間を伝わっていると考えられています。重力波を観測することで，天文学や宇宙論は新たな時代へと突入しています。
本講義では，重力波とはどのような現象なのか，そして重力波観測によって私たちが宇宙について何を知ることができるのかについてお話しします。

皆さんもご存じの通り，水は冷やすとある温度で突然氷になり，温めると水蒸気となって蒸発します。
日常の中では当たり前のことのように思えるかもしれませんが，温度を変えるだけで，たくさんの水分子の集まりが，まるで一つの意思をもったかのように性質をガラッと変える――改めて考えてみるととても不思議な現象です。

実はこのような現象は，水に限らず，さまざまな物質で見られます。
例えば，金属を十分に冷やすと，ある温度で突然，電気抵抗がゼロである「超伝導状態」と呼ばれる特殊な状態に移行します。また，普段はクリップなどを引きつける磁石も，加熱していくとある温度で磁力を失ってしまいます。

このように，温度を変えただけで物質の性質が劇的に変化するという，身近ながら奥深い現象の背後には，「たくさん」の粒子が集まったときに生まれる協調的なふるまいが潜んでいます。
これは，「ひとつ」の粒子では決して起きない変化が，集団として協力しあうことで初めて生じる現象であり，物理学では「相転移現象」と呼びます。

私たち理論物理の研究者は，この相転移のしくみを，熱力学や統計力学という物理の言葉で読み解いています。
この講義では，相転移の不思議さと面白さを，身近な例や簡単なシミュレーションも交えながらやさしく紹介し，熱・統計力学という深遠な物理の世界へと皆さんをご案内できればと思います。

レーザーで物が冷やせるか？
直感的にはそんなことはできないだろうと思われるでしょう。確かにレーザー冷蔵庫などといったものは聞いたことがありませんね。
逆にレーザーをあてると物の温度が上がると考える人が多いのではないでしょうか。実際レーザーは物を極めて高温にする用途に使用されており，金属の切断や加工，医療現場でのレーザーメスといったものに活かされています。
しかしながら，巧みにレーザーの波長や強さを調整することで，物質（この授業では気体状態の原子を対象にしています）を絶対零度付近まで冷やすことが可能なのです。

出前授業では，「レーザーを使って原子を冷やせる原理」を分かりやすく説明し，私の研究室で構築した「絶対零度付近まで原子を冷やす装置」を紹介します。
また，実験に使用しているレーザー装置などを実際に手にとって見ていただきます。さらに，この技術が私たちの生活の中でどのように活かされているのか紹介します。