1-3 ベクトルと線形空間 1-4 長さと角度 1-5 曲線の長さ 1-6 線分と円弧の長さ 第2章 近道 2-1 近道を探そう 2-2 曲線の曲がり方 2-3 近道は測地線 2-4 近道は1つとは限らない 第3章 非ユークリッド幾何学からさまざまな幾何学へ 3-1 球面と双曲平面 3-2 非ユークリッド幾何学 3-3 三角形の内角の和 3-4 リーマン幾何学 3-5 ミンコフスキー幾何学 第4章 曲面の位相 4-1 連続変形 4-2 単体分割とオイラー数 4-3 曲面の三角形分割 4-4 曲面の位相的分類と連結和 4-5 オイラー数と種数Ⅰ 第5章 うらおもてのない曲面 5-1 うらおもてのない曲面 5-2 うらおもてのない閉曲面の分類 5-3 オイラー数と種数Ⅱ 第6章 曲がった空間を考える 6-1 そもそも曲面とは?
内容紹介 現代数学の中の大きな分野である幾何学。紀元前3世紀頃の数学者、ユークリッドによる『原論』にまとめられたユークリッド幾何からさらに発展した、さまざまな幾何の世界。20世紀には物理の世界で大きな役割を果たし、アインシュタインが相対性理論を構築す… もっと見る▼ 目次 目次を見る▼ ISBN 9784065020234 出版社 講談社 判型 新書 ページ数 240ページ 定価 1080円(本体) 発行年月日 2017年07月
【要点】 ○1次元凹凸周期曲面上を動く自由電子系で、リーマン幾何学的効果を実証。 ○光に対するリーマン幾何学効果はアインシュタインの一般相対論で予測され、光の重力レンズ効果で実証されたが、電子系では初の観測例。 ○現代幾何学と物質科学を結びつける新たなマイルストーンと位置づけられ、新学際領域を展開。 【概要】 東京工業大学の尾上 順准教授、名古屋大学の伊藤孝寛准教授、山梨大学の島 弘幸准教授、奈良女子大学の吉岡英生准教授、自然科学研究機構分子科学研究所の木村真一准教授らの研究グループは、1次元伝導電子状態において、理論予測されていたリーマン幾何学的(注1)効果を初めて実証しました。光電子分光(注2)を用いて1次元金属ピーナッツ型凹凸周期構造を有するフラーレンポリマーの伝導電子の状態を調べ、凹凸の無いナノチューブの実験結果と比較することにより、同グループが行ったリーマン幾何学効果を取り入れた理論予測と一致する結果を得ました。 この結果は、曲がった空間を電子が動いていることを実証するもので、過去の研究では、アインシュタインにより予測された光の重力レンズ効果(曲がった空間を光子が動く)以外に観測例はありません。電子系での観測例は、調べる限りこれが初めてです。 本研究成果は、ヨーロッパ物理学会速報誌 EPL ( Europhys. Lett. )にオンライン掲載(4月12日)されています( )。 [研究成果] 東工大の尾上准教授らが見出した1次元金属ピーナッツ型凹凸周期フラーレンポリマー(図1左上)の伝導電子の状態を光電子分光で調べた結果、島・吉岡・尾上の3准教授のリーマン幾何学効果を取り入れた理論予測を見事に再現しました。 この成果は、1次元電子状態が純粋に凹凸曲面(リーマン幾何学)に影響を受け、凹凸周期曲面上に沿って(図1右下)電子が動いていることを初めて実証したものです。 図1 1次元金属ピーナッツ型凹凸周期フラーレンポリマーの構造図(左上)と凹凸曲面上に沿って動く電子(右下黄色部分)の模式図。 [背景] 1916年、アインシュタインは一般相対論を発表し、その中で重力により時空間が歪むことを予想しました。その4年後、光の重力レンズ効果(図2参照)の観測により、彼の予想は実証されました。これは、光が曲がった空間を動くことを実証した初めての例です。 図2 光の重力レンズ効果:星(中央)の真後ろにある銀河は通常見えませんが、その星が重いと重力により周囲の空間が歪み(緑色部分)、その歪みに沿って光も曲がり(黄色)、真後ろの銀河からの光が地球(左下)に届き、銀河が観測されます。 では、電子系ではどうでしょう?
講義No. 06163 曲がった空間をとらえる「リーマン幾何学」 曲がった空間 あなたも地球が球体であることは知っていると思います。しかし、私たちが普段地上で暮らしていると、地表が湾曲していることを認識することは難しいでしょう。古代ギリシャ人は測量や天体観測から地球が球体であることを知っていて、さらに幾何学的考察からその半径も見積もっていたといいます。幾何学を意味する英語の「geometry」はもともと測量を表す言葉が語源となっています。 地球儀を伸び縮みさせることなく、平面地図として正確に表すことはできません。球面の一部を切り取ってきて、それを平面に引き延ばそうとすると、どうしてもしわが寄ってしまうのです。これは球面が曲がっているからです。リーマン幾何学ではこのように曲がった空間を数学的に取り扱い、「曲率」という概念で空間の曲がり具合をとらえます。 宇宙空間は曲がっている!? 宇宙というと平らな空間がどこまでも広がっているというイメージがありますが、アインシュタインの一般相対性理論によると、実は時空はぐにゃぐにゃと曲がっているのです。宇宙の中に住む私たちにとって、空間が曲がっているというのは、ちょっと理解しにくいかもしれません。光は空間を最短距離で進むという原理がありますが、そのような軌跡をリーマン幾何学では「測地線」と呼びます。光の軌跡を観測することによって、実際に宇宙は曲がっていることを知ることができます。 「微分幾何学」で宇宙の形を探る 空間の曲がり具合、空間の構造を数学的に解き明かすというのは、容易なことではありません。曲面など二次元のものは図に表せますが、高次元になると、それを図に表すことはできず、イメージすることさえも難しくなるからです。微分幾何学ではこのような空間を数式によって表し、その幾何学的な性質を明らかにします。微分幾何学は歴史的にも理論物理学と相互に影響を与えながら発展してきました。いつの日か宇宙全体の形が解明され、リーマン幾何学によって表された宇宙地図を使って宇宙旅行をする日が来るかもしれません。
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数学の中で、大学までとそれ以降で風景が大きく変わるものが幾何学だ。中高までの独立感のある図形の話ではなくなり、解析学や線形代数などの発展としての話になる一方、群が導入され、様々な不変量が出てきて抽象化も進み、ぐっと話が難しくなる。また、中高で幾何学に全く触れないことは無いと思うが、数物系でないと卒業までリーマン幾何学、位相幾何学に縁が無いことも多い。 ただし数物系でなくても、学部の教育を超えてくると見かけなくも無い。最近は統計学や経済学で駆使しているものある。本格的に定理の証明を一つ一つ追いかけて学ぶかは別にして、掴みぐらいは知っておいても良い。「 曲がった空間の幾何学 」は大学入学前の高校生を念頭に書かれた、こういう目的のための紹介本だ。 1. 凄い勢いで説明される大学の幾何学 著書の宮岡礼子氏の講義経験が生きているのか、説明に必要な行列式や固有値や一次型式や外微分や剰余類が僅かな分量だが、話の筋に過不足なく導入されていく *1 のは、爽快に感じる。ストークスの定理はちょっと長めだが、ちょっとだ。さすがに低次元の話に限定されているが、オイラー数、種数、曲率、捩率、測地線、等温座標などの重要用語や、ガウスの驚愕定理やガウス・ボンネの定理などの重要定理の概要を覚えていけるし、ガウス曲率や双曲計量と言うか双曲面など、物理の人はよくお世話になっているのであろうが、文系にはそんなに縁が無いものも知る事ができる。位相幾何学を説明したあと、微分幾何学を説明していって、ガウス・ボンネの定理で両者をつないで来るのは「おお?」と思える。微分幾何学量を積分すると、位相不変量が得られるのは興味深い。導入される概念の数は多いが、当たり前だが説明されたものは後の章で使われるので、全体として連続性は保たれている。ふーんと眺めておけば、後日、何かで話が出てきたときに親近感を感じることであろう。 2. 教科書的な話を超えた紹介もある 最初から最後まで教科書的と言うわけではなく、教科書を超えたところの発展的な話も雰囲気は紹介している。第12章の石鹸膜とシャボン玉では、あり得るシャボン玉の形の条件を数学的に平均曲率がゼロであると整理すると、トーラス型やもっと複雑なシャボン玉があり得ることが示されると言う話から、幾何学の研究が勾配流や平均曲率流のようなツールを考え出して行なわれていることを紹介している。最後の第14章と第15章では、被覆空間の分類の話からポアンカレ予想の証明に必要なサーストンの幾何学予想の説明につないでくる。残念ながら学識不足でよく分からないが、幾何学、何だかすごい。 3.
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