過去20年余にわたる極短パルスレーザーの技術革新により、アト秒領域（1アト秒＝10の-18乗秒）の超高速光科学（アト秒科学）が急速に進展し、2023年のノーベル物理学賞がアト秒科学の実験的手法を考案した三氏（Pierre Agostini, Ferenc Krausz, Anne L’Huiller）に授与された。本講義では、ここに至るまでのレーザーの技術革新と超高速光科学の進展を概説し、アト秒科学の最前線を紹介する。

最新の大型望遠鏡を用いた観測により、宇宙の成り立ちや進化の歴史について多くのことが明らかになってきました。現在の宇宙は正体不明のダークエネルギーに満たされていて、宇宙膨張は加速度的に速まっています(2011年 ノーベル物理学賞）。宇宙初期に生み出されたほんのわずかな密度の「揺らぎ」から天体や大規模構造が形づくられ、それらを詳細に観測することで宇宙の進化を明らかにすることができます（同2019年)。最新の宇宙像についてわかりやすく解説します。

地球の気候はどのように決まり、どのように変動しているのか、また将来どうなるのかを考えるには何が必要でしょうか？地球の気候は、大気や海洋、陸面の様々な物理過程が相互に影響を及ぼしながら１つの超複雑系を形作っているため、個々の要素を支配する物理プロセスを理解するとともに、それらの相互作用も考慮する必要があります。2021年のノーベル物理学賞を受賞された眞鍋淑郎先生は、このような複雑系に対して大胆な仮定を入れながらその本質を明らかにする研究を続け、今日の気候変動・変化の予測を実現する土台を構築しました。その一部を含め、気候を物理的に理解することについて考えます。

Einsteinが提唱した一般相対論の予言のうち、光も抜け出せない天体ブラックホールは最も有名である。一般相対論の発表から100年以上たった現在でもブラックホールは人々を魅了しており、今ではブラックホールは大質量星の最終形態として宇宙のいたるところに存在することがわかっている。また2015年の重力波の発見以降重力波観測によってたくさんのブラックホール合体が検出されている。本講義では、ブラックホールの基礎、宇宙物理学的な性質、重力波で見えてきたブラックホールについて解説する

2018年にノーベル物理学賞を受賞した米国のアーサー・アシュキン博士によって発明された光ピンセットは、レーザー光が物体に及ぼす力(光圧)を用いることで、原子や細胞などの微小な物体を、非接触で、自在に補足、移動させることのできる革新的な技術であり、現在では物理学や生物学の分野の発展に欠かすことのできないツールとなっている。本講義では、光ピンセットの基礎と、その応用に関して概説する。

情報技術の急速な発展は生活を豊かにする一方で、エネルギー消費の増大という課題を提示している。その解決手段として、技術の根源たる物質開発にイノベーションが求められている。トポロジー（位相幾何学）に着目した物性開拓は、従来の物質では発現しえない量子現象を実現可能にし、物質科学に新たな地平を拓いている。本講義では、トポロジーを物性研究に初めて導入し、我々の物質観に新しい視点を提供した2016年のノーベル物理学賞受賞研究「トポロジカル相転移および物質のトポロジカル相の理論的発見」から先端の物性研究まで紹介する。

物質を構成する最小単位である「素粒子」のひとつ「ニュートリノ」は、ほとんどなんでもすり抜けてしまう不思議な粒子です。我々の周りにも膨大な数のニュートリノが存在しますが、研究が難しくまだ多くの謎を秘めています。梶田隆章先生のノーベル物理学賞受賞理由となった「ニュートリノ振動」の研究を中心に、人工的に生成したニュートリノビームによる研究や、宇宙の始まりの研究との関連、現在建設中のハイパーカミオカンデ計画など最新の研究を紹介します。

2010年のノーベル物理学賞はAndre GeimとKonstantin Novoselovに授与された。受賞理由は彼らにより2004年に発見された二次元物質グラフェンである。グラフェンは、一原子の厚さの炭素原子のシート状の物質で高い電気伝導特性や熱伝導度、強靭性など様々な優れた性質をもつ。本講義では、グラフェンが発見された経緯や、その特異な性質の理解の鍵となる質量のないディラック粒子との類似性などについて議論する。

1960年代に開発されたレーザーは、太陽光や蛍光灯などの古典的な光とは異なる特異な性質があり、これらを活かして、精密分光、精密加工、高精度観測、量子技術など多彩な応用が生み出されてきた。2005年のノーベル物理学賞は、これらの性質のうち、特に光のコヒーレンス、つまりレーザーの位相が揃っている状態についての理論、およびこれをうまく利用して原子や分子の内部構造を精密に分光する技術に対して与えられた。本講義では、現代の時間計測技術の根幹をなすこの技術についてわかりやすく解説する。

2008年のノーベル物理学賞は「素粒子物理学における対称性の自発的な破れの発見」で南部陽一郎氏が、「自然界にクォークが3世代以上あることを予言する、対称性の破れの起源の発見」で小林誠氏及び益川敏英氏が受賞されました。本講義では、これらのテーマの概要について解説するとともに、素粒子物理学に関連する初期宇宙の謎についてもお話したいと思います。

「我々はどこから来たのか？」という哲学的な問いは、現代の物理学を用いて宇宙の始まりまで遡ることができる。これを可能にしたのが、ビッグバンで始まった宇宙像を観測的に示した宇宙マイクロ波背景放射背景放射の観測（2006年ノーベル物理学賞）、そして一般相対性理論と素粒子物理を駆使して初期宇宙を我々の日常を記述するのと同じように物理を用いて語れるようにした物理的宇宙論の開拓（2019年ノーベル賞物理学賞）である。本講義では、現在宇宙の始まりを科学者がどう捉えているかを紹介するとともに、二つのノーベル賞が果たした役割について紹介する。

近年、量子コンピューターなどの量子情報技術が急速に発展しており、科学技術に新たなブレークスルーをもたらす可能性が期待されています。その基盤となる量子力学の原理に従うと、古典力学的な直感に反する非局所的な相関であるエンタングルメントを作ることができます。本講義では、2022年のノーベル賞の対象となった「エンタングルした光子によるCHSH不等式の破れの検証と量子情報科学の開拓」について説明します。

The Nobel Prize in Physics 2004 is about the force that is strongest and ties together the smallest pieces of matter–the quarks. Through their theoretical contributions, David Gross, David Politzer, and Frank Wilczek have made it possible to complete the Standard Model of Particle Physics, which provides a unified description of three of the four known fundamental forces (excluding gravity) and plays a central role in understanding the properties of Nature–from the tiniest distances within the atomic nucleus to the vast distances of the universe.