「原点」 筑波大学新聞 2011年4月

物理学専攻　初貝安弘

既に三十年前になるが、十八で大学に入学したときが、いろいろな意味で自己を確立するための原点であったといえよう。毎春入学する学生の皆さん同様、若者なりの志と目標を持っていたように思うが、思い返すにすべてに迷っていた。希望もあったと思うが、なにも定まっていなかった。親元を離れ都会で一人で生活することの自由と不自由のなか、新しい個性的な友人に出会い、優秀な友人に驚きもし、世の中の広さを感じていたように思う。その上5月病とはいわないが、それなりに大学入学後に気が抜けたところもあり、満喫とまでは言わなくとも多少の自由を味わい、結果として勤勉な学生ではまったくなかった。まあ、田舎から出てきて、良くも悪くも、いろいろと度肝をぬかれたというところであろうか。 この二十歳になる前の数年間は、旧教養課程制度による極度に強制が少ない自由な時代であり、思い返すと一見無駄としか思えないこと、冷や汗もののことも多々あったが、逆にまたとない貴重な時期であったようにも思う。この時代を少し反省してみると、語学、特にいわゆる第二外国語だけは、もっと真面目にマスターしておけば良かったと思う。本は年をとっても読めるが、語学の修得に必要な反復練習は若いこの時期を逃すとなかなか難しい。また、現在の専門につながる数物系の講義に関しても決して真面目に出席していたとはいえないが、時々出てみて、こういう世界もあるのかと心密かに驚くこともあった。ただ、必要なこと、知らなければならないらしいことに関して、本を探し出してきて調べるなり、考えるなりして、自分でどうにかする癖がついたのは、かえって良かったのかもしれない。（勿論、すべてが、どうにかできたわけではない。）時がたって立場も講義する側となったが、時代の要求で今や講義も懇切丁寧にそして下手をすると学生諸君の理解度にあわせてやることが求められ、是か非かは別にして、これまた迷いながら教員もそれに応えようとする風潮があることは一考に値しよう。 話をもどすと、私はこの迷える時代を過ごした後、ありがたいことに、大学に職を得、現在の専門である物性物理学の理論を研究するに至った。この機会に研究に関する原点を探して記憶をたどれば、修士課程の（たぶん殊勝な）学生だった頃、研究室の飲み会の為いそいそと買い出しに出かけたこと、教授陣の忘年会の挨拶を心から恐縮して聞いていたこと、そして、大学近辺の銭湯通いをするなど随分苦労して手書きで修士論文をどうにかまとめさせていただいたことなどが思い起こされる。その後、高温超伝導体の発見後に生じた物理学諸分野の（残念ながら一時的であった)大交流時代に諸先生、諸先輩の研究活動に仲間入りさせていただき、その後、博士課程を中退して助手に採用していただいた。忘れかけたこの純情な時代に感じた喜びと責任、そしてほんの少しの自信が現在の研究教育活動の原点といえるのかもしれない。

略歴

東京大学工学部物理工学科卒業 1989年3月東京大学物性研究所助手、以後、東京大学工学部物理工学科講師、助教授を経て2007年4月より筑波大学大学院数理物質科学研究科物理学専攻教授。工学博士(東京大学) 1992年10月-1993年9月 : マサチューセッツ工科大博士研究員　（兼任）

グラフェンとは炭素原子が蜂の巣格子状に結晶化した2次元つまり絨毯状の 物質である。単体の炭素にはグラファイト、ダイヤモンド、C60等 幾つもの同素体 が存在するが、 グラフェンもその1つである。 蜂の巣格子は 周期格子であるが、ある単位胞を2次元の並進操作で並べて蜂の巣格子を つくるとき、単位胞には必ず2種類の原子が含まれる。よって固体物理学の一般論に 従えば、そのエネルギーバンドは２つからなり、中性のグラフェンは 半導体(絶縁体)となるはずであるが、 実際のグラフェンは、種々の意味で対称性が 高く、そのバンドギャップは消失し、ゼロギャップ半導体となる。 よって通常の半導体において使われる有効質量近似は破綻し その有効理論は P. Dirac が特殊相対論と整合的な量子力学のために導入したDirac 方程式の2次元版 となり、 特異な物理現象が期待されていた。 その一方で、ランダウ以来の結晶の安定性の理論によると1,2次元のマクロな完全結晶は 熱力学的に不安定であり、存在し得ないと考えられていた。 それにも、関わらず英国マンチェスター大学の A.Geim と K. Novoselov は剥離法という 驚くべき手法で実際にマクロで単層のグラフェンを合成することに成功し、 その功績により2010年のノーベル物理学賞を受賞した。百聞は一見にしかずである。 ゼロギャップ半導体である グラフェンのフェルミエネルギー近くでの エネルギー分散は$E=\pm cp$ と相対論的な形となるが「光速$c$」は光の速度$c_{light}$ではなく$c\sim c_{light}/300$と実際の光速より大幅に小さい(遅い光！)。 よって、グラフェン中の電子が動き回る世界は、 まさに G. Gamow の不思議の国のトンプキンスが住む 「遅い光」の世界である。グラフェンで観測された原子崩壊はその一つの例である。

皆さんは物理学に対して色々なイメージを持っていると思いますが、この機会に物理学が大事にしてきたものについて、少し説明してみたいと思います。物理学の研究者には多くのタイプがありますから、「これ」と一つだけをとり上げることは簡単ではありませんが，「普遍性」(英語ではUniversalityと呼びます) は物理学の多くの分野にわたって最も重要な概念の一つであることは間違いありません。文字通りの意味では広く遍く(あまねく）存在する概念ということです。自然科学とは自然を科学的手法で理解する営みで、物理学、化学、生物学，材料科学などがその代表的なものです。これらの学問はお互いに必ずしも排他的な関係にあるわけではなく、ある研究は物理学と化学の両面をもつなどということも珍しくありません。物理化学、生物物理学等という表現はそれをわかりやすく示しています。にも関わらず物理学がとりわけ特に大事にしている概念が「普遍性」です。これについて以下詳しく議論しましょう。

「普遍性」(Universality)という言葉は説明しましたが、ある意味で対極的な概念が「多様性」(diversity)です。科学には博物学的側面が必ずありますから、科学的研究活動においては、多くの種々雑多な対象を集め、それぞれの学問の手法で記述することから学問は始まります。対象の多様性を追求し、その中で興味深いもの、役に立つものなどを種々の観点から追い求めるのです。対象の多様性を楽しむわけです。自然科学の中でも、材料科学、薬学等ではこの多様性が本質的に重要でしょう。もちろん、物理学も自然界の中の種々の対象を記述するわけですから多様性ももちろん重要ですが、物理学の特徴は、多種多様な対象の中に多様性を楽しむだけでなく普遍的な性質を見出すことにあります。物理学は普遍性を極限までに追求する学問とも言えるでしょう。

では、具体的には普遍性とは何を指すのでしょうか？皆さんは大学に入るとすぐに物理学Aという科目で「質点の力学」を学びます。高校でも質点の力学は学んでいるでしょうから、馴染み深い科目といえるでしょう。実は、この質点の力学は普遍性が最もわかり易い形で現れた分野ということができます。この質点とはなんでしょうか？点ですから大きさはありません。点であってかつ質量はある「モノ」(object)を質点と呼びます。もちろん、大きさはなく質量だけをもつものなんて現実の世界にはひとつもありません。では質点の力学は現実に存在しないものの力学を扱うナンセンスな学問なのでしょうか？そんなことをいうと「いろいろなものの運動は近似的に質点として扱えるんだよ」という声が聞こえてきそうです。文字通りの意味では、全くそのとおりですが、普遍性を最重要と考える物理学としては、それだけでは本質的に大事な点を全く理解していないことになります。

自然界の力学的な運動を例として考えたとき、そこには多種多様な対象の種々の運動があることに注意しましょう。野球のボールの運動、自転車の運動、そして原子、電子，原子核の運動、また、地球の太陽周りの運動、銀河の運動、宇宙全体の運動もすべて物理学が対象とする力学運動です。これら全く異なる運動が、質点の力学として共通して捉えることにより、普遍的に理解することができるのです。ボールの色、原子の種類、銀河の形、含む星の数等をすべて切り捨て、対象の個性としては唯一の「質量」のみを取り出したとき、これらの異なる対象の力学的運動は「質点とそれに働く力」で記述される共通のニュートンの運動法則に従うと考えることができるのです。全く異なる自然の中に、質点としての「質量」だけを対象の個性として、普遍的な運動の原理を見いだすわけです。これが物理学の大事にする普遍性です。

一見似ていますが，普遍性を大切にする立場からは、質量以外の個性を切り捨てる過程は「近似」ではなく「情報の縮約」と呼びます。これは個々の現象において何が大切なのかを見極める最も大切な過程です。物理学は運動方程式の解き方を学ぶ学問ではなく、自然界の現象を如何に記述するかを大事にする学問なのです。勿論、情報の縮約の過程は決して自明な過程ではありません。現象において何が重要なのかを正確に見極めることが必要な困難な過程です。現在の物理学においては、この「情報の縮約」のための方法論も、必ずしも万能ではありませんが，いくつも開発されています。ここでは「繰り込み」と呼ばれる概念がそのひとつの例であることを注意しておきます。

この情報の縮約の過程で、その物理学的認識に関する適用限界も自ずと明らかとなります。力学の例で言えば運動法則に関して適用限界があるのです。個々の物理学的法則には、それぞれ、時間スケール、エネルギースケール、空間スケール等に関して適用すべき領域があるのです。「何だ、近似か」などと考えてはいけません。適切なスケール、これを階層と呼べば、階層ごとに適切な物理法則を見出し、その階層をつなぐことが物理学の手法であり、物理学的な自然認識なのです。ニュートン力学は光速に近い運動には適用できず、相対論による記述が必要であること、また原子、電子といったミクロな世界の記述では量子論的記述が必要なことを、皆さんもどこかで聞いたことがあると思います。しかし、現在でもニュートン力学の重要性は失われるどころか、ますます多様な現象に適用されていることは皆さんもご存知でしょう。日本の新幹線や地下鉄があれだけ正確で、自立型のロボットや自動化された工場の生産設備はすべてニュートン力学の完全な支配化にあります。たとえ、極微の世界の運動法則としての、究極の理論が完成したとしても階層的認識に基づく、ニュートン力学他、各階層の物理法則の意義は失われることはありません。電車の動きに量子論を適用することは無意味であるだけでなく、量子論は電車や飛行機の運動の記述には全く無力なのです。

スペースもつきましたので続きは物理学の講義でということにしますが、階層的な物理学的認識の意義と物理学における普遍性の重要性に気づいてもらえれば幸いです。物理学はあれこれ計算する学問ではなく、とことんまで考える学問なのです。
 

 

量子論における確率解釈：粒子の運動は各時刻における粒子の場所を指定すれば完全に確定します。例として1次元的な運動をする粒子を考えてみましょう。たとえば、量子細線の中の粒子や塀の上を歩いている猫などを想像してみてください。このときは、横軸に時刻、縦軸に粒子の位置をプロットした紙に書いたグラフ、中学以来学んだグラフですね、これを書けば粒子の運動が決定されたことになります。このグラフのことを世界線とよびます。1次元の粒子の運動を決定する世界線は 1+1=2次元の時空間（紙の表面のことです）の中の曲線ということになります。実際の粒子は3次元空間の中にありますから世界線は3+1=4次元の中の曲線ということになります。この世界線を経路とすこし親しみをふくめて呼びましょう。 　勿論古典的には粒子の運動する経路はNewtonの運動方程式に従う特定のものとなります。実際に実験、観測をするとその特定の経路が実現するというのが古典的な物理学の予言です。このような古典力学による記述はきわめて正確であり、日常生活における物ごとの記述においてその成立に関して疑うところは全くありません。（いまでは携帯電話に標準装備となりつつあるGPSの動作には相対論的補正が重要だとはよく知られたところですが、量子論的補正が日常生活で必要だとはいまのところ聞いたことはありません。） 　それにも関わらず古典論を包含すると考えられている量子力学による物理学は粒子の運動に対してもすこし異なった予言をします。量子力学によるとすべての可能な世界線をたどる事象は全て原理的には起こることがあり得ることになります。古典的には決して起こらないいわばとんでもない事象も原理的にはおきることを許容するのです。ただ、実際の実測、実験を行ったとき、その全ての経路（事象）はある特定の確率で観測されることを量子論は主張します。常識的には起こらない事象の起こる確率は極めて極めて低いならば、常識と矛盾しないわけです。猫がタイプライターをたたいてシェークスピア全集を全て書き出すこともそれこそ原理的には可能なはずですが、猫にベストセラー作家の座を奪われる心配をする作家がいないのと同様に、通常の設定では古典論の予言が外れることは無いわけです。

確率振幅の重ね合わせの原理：ある特定の事象（経路）が起こる確率は確率振幅とよばれるある複素量の絶対値の2乗で書けると量子論は主張します。さらに、量子論ではこの確率振幅に対して「重ね合わせの原理」が成立することを要求します。量子論における波動性とは基本的にこの重ね合わせの原理にその基礎をもちます。確率振幅が池の波や音波などと同じ波動だというのです。波動現象の最も際だった特徴は干渉が起こることにあります。最近某電機メーカーから消音タイプのヘッドホンが販売されています。騒音のひどいところでもそのヘッドホンを使うと聞きたい音楽だけが聞こえて、周りの騒音は消えてしまうと言う、一見魔法のようなヘッドホンです。（私も持ってました、今は、どこかにいってしまいましたが、、でも確かに効果ありました）。このヘッドホンは、外部の騒音と逆位相の音波を聴きたい音楽に重ね合わせて耳の近くで出力しているのです。（たぶん、）音の強度、つまり聞こえる音の大きさはそれぞれの音の大きさの和になるわけではなく、波動の振幅を重ね合わせてからつまり足しあわせてから（絶対値の）2乗をとったものがその大きさとなります。バネのエネルギーが伸びxの2乗(バネ定数kならkx^2/2)となるのと同じです。日常生活ではうるさいところで大声をさらに出されるともっとうるさくなるので、音の大きさがどんどん加えられるように感じますが、これはそれぞれの騒音が全く勝手な騒音だからです。（騒音ですから当然ですね）これを物理的には「コヒーレントでない」非干渉性の音と呼びます。このような音については振幅の重ね合わせから大きさの加法性が導かれます（簡単な三角関数の計算ですが、ここではこれ以上の説明はやめます）。某電機メーカーのヘッドホンからはこのような勝手な音でなく、可干渉性（過干渉ではなく）のコヒーレントな音が出ているはずです。これをかさねあわせると音の大きさは増えないで減る、つまり消音効果をもつのです。量子論では事象の生起確率が確率波の大きさ（つまり振幅の絶対値の2乗）となることをその基本原理と考えます。日常の生活での物事の生起確率を支配する確率振幅は可干渉性をもたず、コヒーレントでないので、例えば英語の試験で10点をとることと20点をとることは独立となって排反事象に関する確率の加法定理が成立します。つまり10点をとる確率が1割あって20点とる確率が2割あるなら、10点か20点を取る確率は3割になるわけです。騒音が積み重なってますますうるさくなるのと同じです。

すこし具体的に議論を進めると量子論によれば、ある可能な経路に対する確率振幅はexp(i 2pi S[経路]/ h) と書けると考えられています。ここでS[経路] はその仮想的な経路に関する作用積分と呼ばれる量で[エネルギー×時間]=[長さ×角運動量]の次元を持つ物理量です。解析力学を学んだことのある人は聞いたことがあるとおもいます。またここで出てきた h は量子論の基礎付けに多大な貢献をしたプランクにちなんで名付けられたプランク定数で量子論固有の唯一の定数です。この定数は先ほどの作用とおなじ[エネルギー×時間]の次元をもっていてMKS単位系やcgs単位系ではかると0.000とぜろが30個ぐらい続く程度に日常の生活感覚的にはとても小さな定数です。 exp[ i 2pi S] は複素指数関数と呼ばれる複素数の値をとる三角関数のような周期関数で引数のSに関して周期１の振動する関数です。ここで 1/h がMKS単位系で、つまり日常の現象に関してとても大きな数（逆数ですから、、）であることを考えると日常生活での経路がすこし変化したことによる作用積分の変化はMKS単位で大体1程度と考えられますから、1/h をかけ算した値はとても大きなものとなります。つまり日常生活を表す経路（世界線）のちょっとした変化、（例えば髪の毛がちょっと揺れたぐらい？）による確率振幅の変化はとてもとても激しいものとなります。実際に実験で観測される事象に関する確率振幅は似たような事象に関する確率振幅を重ね合わせたもので与えられますので、経路が少し変わったときの効果を取り込むとほとんど打ち消しあってしまうと考えられます。よって古典極限つまり h がとても小さいと見なせるような現象では経路がすこし変化しても作用は変化しないような経路だけが主たる寄与します。これは解析力学で学んだ最小作用の原理に他なりません。量子論をここで議論したような確率振幅の重ね合わせの原理に基づいて理解しすると、その古典極限からニュートンの運動方程式がリンゴの木から落ちるリンゴを観察しなくとも、論理的に導出できることになるのです。

重ね合わせの原理から経路積分へ：確率振幅がある種の波動で重ね合わせの原理がなりたつものであるとすると。特定の事象が起こる確率をあたえる確率振幅は可能な経路に対する確率振幅をすべて重ね合わせたものとなります。防波堤の中の波の高さを理解するには防波堤やそれ以外のいろいろなところから跳ね返ってきた波をすべて重ね合わせることが必要なことや、先ほどの消音ヘッドホンをかけたときに聞こえる消音化された音は、外部からの音とヘッドホンからの音を重ね合わせなければならないことと同じです。先ほど古典極限を説明するときには黙って使ってしまったぐらいにこれは波動の基本的性質です。経路積分とはこの確率振幅に関する重ね合わせの原理をすこし上等かつ形式的な表現として書き下したたものにすぎません。繰り返しますと、特定の事象が起こる確率振幅は「可能な全ての経路に関する確率振幅をすべて重ね合わせることで与えられる」のです。経路についての重ね合わせは足し算、それを区分積分法として連続に足し算するため「経路積分」とよぶのです。形式的には名前のとおり粒子の通過しうるすべての道（経路、Path )について総和をとる（積分する）ことにより得られた量（数）、ならびにその計算法を指します。

この経路積分は、最近は、多くの啓蒙書でも有名な R. Feynman によって発明された概念で、以上の議論も基本的にFeynmanによるものです[Link]。ここでご説明したように量子力学はこの概念にもとづいて構成すると非常に理解しやすいものとなります。またこのような経路に関して和をとる、つまり積分するという視点は現代の物理学ではとても重要な意味を持ちます。例えば、量子統計力学や多電子系の量子論、ベリー位相等幾何学的位相の議論では不可欠の理論的概念となります。これらに関してはまた節を変えてご説明したいと考えています。

Feynmanは冗談だけいってるわけでなく、ホントにえらい！！

 

対称性の破れについて説明します。

磁性体をスピンの集まりと見てその絶対零度もしくは十分低温での性質を考えて見ましょう。

、物理的には許される対称性がその性質を大きく左右します。系が例えばイジング型の離散的な対称性しか持たないとき、十分低温もしくは量子効果が十分小さいときには、

まず、量子力学ならび量子力学に従う物理系においては複素数が本質的であり複素数は絶対値と位相に分けられることに注意しましょう。これだけわかれば、量子力学での位相の効果のどうしても取り除けない「本質的」部分が「幾何学的位相」であると言えます。

　技術的には量子系における記述はある空間での演算子並びにある基底によるその行列要素を用いてなされます。そこでは種々の基底変換の自由度があり、それ に対応して複素量としての行列要素は変更を受けることに注意しましょう。この基底変換の自由度は完全に自由ですが、実際の量子系における古典的対応物のある物理現象はこの任 意の変換の自由度に影響を受けることは決してなく、不変な形で表現されなければなりません。数学的にはここでの（基底）変換に対応してある種のゲージ変換 が引き起こされることになるのですが、物理量はこのゲージ変換に対して不変であるというわけです。簡単な多くの場合、基底変換は行列要素の複素数としての 位相の変化をもたらします。古い量子力学の教科書等ではこの基底変換に伴って起こる位相変化は意味がないとの記述すらある¹のです が、波動関数の位相なら何でもゲージ変換で完全に消去できるわけではなく、一見この勝手に変化する位相のなかにも決して無視できない物理的意義を持つ （少し拡張した意味で「ゲージ不変な」）ものがあり、それらを称して幾何学的位相と呼ぶのです。物性論における重要な概念である「量子力学的揺らぎ」、「量子干渉効果」その他、 いわゆる「量子効果」は最終的にはこの幾何学的位相として理解されることが多いのです。
この幾何学的位相が重要な寄与をする物理現象の典型例としては量子ホール効果、ベリー位相、アハロノフ・ボーム効果、分数統計粒子系などがあげられます。

1. Shiff, Quantum Mechanics

世の中には極めてたくさんのものつまり物質があり、それらはいろいろな形態をとっています。たとえば、水、炭酸ガス、シリコン、鉄などの物質が氷、水蒸気、ドライアイス、結晶、非結晶、磁石、等の形態をとっているわけです。これら物質の形態の違いをきちんと理解することが物性物理の基本であり、物質を用いた物質科学もこの作業なくしては近年のめざましい発展はあり得ないものでした。これら物質の形態は物理的には「相」として表現されます。水蒸気と氷は水という同じ物質ではあるがその「相」が異なるというわけです。
物理学は現代科学ですから「相」に対する（原理的には必ずしも定量的であることは必要でありませんが）科学的な記述法を必要とします。その科学 的記述の作業対象が「秩序変数」と呼ばれるものです。「秩序変数」を観察、考察することにより物質の相を判定するわけです。水の密度、鉄の磁石としての強 度（磁化）がこの秩序変数として使われています。たとえば、温度を変化させることで水の密度の変化を観察することが秩序変数の温度依存性を議論することと なります。ここである場所、ある時間での水の密度、鉄の磁化を議論することを局所的な秩序変数を考えるといいます。多くの場合物質の「相」を特定するため には、この局所的な秩序変数を考えることが重要です。（双対変換等、非局所的な理論的読み直しがこの局所的描像を使うために必要なことも時々あります。）
物理学、物性科学においては物質の「相」を特定することは物理系の対称性と密接な関係があります。現代の物理学においては対称性を用いて物質の相を区別す るといった方が適切です。気体である水蒸気では水分子は全くランダムに運動していると考えられますので、ある水の分子の近くを見たとき隣の水分子は特定の どこかに存在しやすいことはありません。つまりすべての方向は同等、一様です。一方、液体および固体の水を考えたときは、隣の水分子は全く無関係な位置に あるのではなくある秩序を持ってある方向に存在することは想像できると思います。つまり液体、固体の水の相においては方向の一様性が失われていると考えら れます。空間をある水分子の周りに回転させるという操作を考えたとき水蒸気はその操作で不変、つまり対称ですが、氷はその操作で不変でなく対称でないわけ です。水蒸気を球にたとえれば、氷や水は角がある箱だということになります。同じ水という物質がその温度が変化することでその対称性を変えるわけです。水 分子をたくさん集めたとき特定の方向が特別な意味を持つことはなく、どちらの方向も当然同等なはずです。その「同等性」が温度を変えるだけで、水分子のお 互いの相互作用により外力等を必要とせず、自発的に失われ特定の方向に隣の分子が居やすいという特別な意味が生まれるのです。これが「対称性の自発的破 れ」と呼ばれる現代物理学におけるもっとも基本的な概念の一つです。

より定量的な科学的議論においては、今の議論において、ある特定の 水分子の周りでは次の分子がどのあたりに居るのかを考えたことが極めて重要です。つまり局所的な密度としての秩序変数を用いて異なる場所における秩序変数 同士の関係、つまり相関により物質系の「相」を特定したわけです。ここに秩序変数として局所的なものを考えることの重要性が典型的に表れています。現在の 物理学においては、極めて多くの場合にこのような局所的秩序変数による相転移理論が広く用いられています。物理的にはこれらの「相」が変化する際の「相転 移」が重要かつ興味深い問題となります。「相転移」とは「相」が違うほど全く異なるもの同士が入れ替わるわけで、物質の応用、その機能性を考えたときに も、非常に大きな潜在的可能性を含む現象が「相転移」であるわけです。この相転移を対称性の破れの観点からみると、転移点の近傍では対称性の破れを規定す る局所的な規則が必ずしも常に満足されないという形で現れてきます。水蒸気が液化するぎりぎりの温度ではある水分子の周りに他の水分子が完全にランダムに あるわけではないが、水や、氷の場合ほどはっきりした方向の異方性を持つわけではない、といったこととなるわけです。この状況は相転移の転移点（臨界点） 近傍では秩序変数並びにその相関における局所的揺らぎが増大すると表現できます。ここでも秩序変数の局所性の重要さは見て取れると思います。
も ちろん非局所的な概念も現代の物理学においては登場しますが、どうやら認識論的にいっても非局所的な概念はわかりにくいらしく、その多くの場合、非局所的 な概念は、ある種の双対変換により局所的なものへ置き換えて理解されることが多いのです。特に場所と時間ごとに定まる「場の量」をその作業変数とする局所 場の理論の臨界現象の理論における大成功をその背景とし、局所的秩序変数を用いた「相」の概念および「相転移理論」は現代物理学における概念的基礎の大き な部分となっています。
それではここで説明した局所変数による「相」の分類は十分なのでしょうか？
実は近年の研究において量子系特に量子多体系においては新しい概念がどうしても必要であることがあきらかになりつつあります。これが量子液体相における新しい秩序概念です。これについては別な節でまたご説明しましょう。