科学のパラダイム変化を表す際に、実験、理論、計算、データに基づく科学を、それぞれ、「第一の科学」、「第二の科学」、「第三の科学」、「第四の科学」などと呼ぶことがある。

物質科学は、天然の素材に人為的処理を加えて、人間にとって有用な物質に変化させる行為から始まった。この中で、長い年月をかけた膨大な種類の処理・操作の試みが第一の科学にあたり、その中で蓄積された知識からより根源的な原理を発見し、それらを体系化してきた営みが第二の科学にあたる。

第三の科学である計算科学は、時代とともに理論や実験の内容が複雑・精緻になり、実験結果の解釈や理論からの予測が、人力による算術では扱えなくなってきた頃に生まれた。物質科学における計算科学（計算物質科学）は、２０世紀初頭に物質の基本原理となる量子力学が誕生したことと、その後、電子計算機が発達したことで、その有用性が向上し、近年では、第四の科学とも密接にリンクしながら、物質科学のフロンティアをさらに広げている。

計算物質科学の対象には、基礎となる原理が分かっていても、計算時間や計算機の記憶容量などの制限から、その原理を表す方程式を厳密に解くことができない場合も多い。例えば、量子力学における基礎方程式であるシュレディンガー方程式は、原子や分子の中の電子の状態を精密に表す方程式であるが、それをそのまま、膨大な数の電子を含む大きな固体や液体の性質の予想に使うことはできない。

しかし、近年では、適切なモデル化や数学的工夫を行った新たな計算手法の開発により、それ以前はできなかった計算を可能にした例も現れている。例えば、原子・分子を取り扱う量子力学と、物質を連続した媒質として取り扱う連続体のモデルとをうまくつなぐことで電池の電極反応をシミュレーションしたり、量子力学と電磁気学の方程式を連成して解くことで強い光の下での物質内部の電子運動を予測したりといったことが行えるようになっている。

また、機械学習などのデータ科学的手法を取り入れることで、非常に多くの数の原子や分子の動きを追えるようにもなっている。こうした問題が解かれることで、物質に関する理論科学の進展や重要な材料の開発につながることが期待される。

科学技術振興機構（ＪＳＴ）研究開発戦略センター　フェロー（ナノテクノロジー・材料ユニット）　眞子隆志
東京大学大学院工学系研究科修士課程修了。ＮＥＣにおいて酸化物材料、携帯燃料電池、半導体実装などの研究開発に従事。１９年より現職、ナノテクノロジー・材料分野の研究開発戦略立案を担当。博士（工学）、技術士（応用理学）。