【物理】相対性理論と量子論とは?【現代物理学】

相対論・量子論宇宙

こんにちは、ぴーなっつ(peanutscoin)です!

 

皆さんは「相対性理論(そうたいせいりろん)」って聞いたことありますか?

 

あの有名な物理学者アインシュタインが提唱した理論として、名前だけなら聞いたことがある人もいるのではないかと思います。

ニュートンなどの時代からある物理学を古典物理学と呼びますが、それに対して最新の物理学を現代物理学と呼びます。

その現代物理学の2大巨塔としてあるのが「相対性理論」「量子論」と呼ばれるものです。

 

現代物理学は宇宙を紐解く鍵になっているものです。

今回はそんな宇宙を語るうえでは外せない現代物理学について紹介していきましょう!

 

【この記事でわかること】
・現代物理学とは
・相対性理論・量子論の概要
・一般相対性理論と特殊相対性理論
・古典物理学と現代物理学の違い

 

 

 

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現代物理学とは

そもそも現代物理学と呼ばれるものは主に二つの理論のことを指します。

 

それは

相対性理論(そうたいせいりろん)

量子論(りょうしろん)

の二つです。

 

それぞれ簡単に概要を説明していきましょう!!

 

相対性理論(そうたいせいりろん)

相対性理論とはあの有名な物理学者アルベルト・アインシュタインが提唱した理論です。

相対性理論の特徴の一つはアインシュタインが一人で提唱したという点です。

 

 

また、相対性理論には特殊相対性理論一般相対性理論があります。

 

特殊相対性理論

 

特殊相対性理論とは二つの原理を元に展開されています。

【特殊相対性理論:原理】
1.光速度不変の原理
2.相対性原理

光速度不変の原理

これは文字の通り光速(光の速さ)は不変(常に一定)であるということです。

 

常に一定とは、誰から見ても一定の速さということで

例えば「光と同じ方向に移動する人から見ても、止まっている人から見ても同じ速さ」ということになります。

※光の速さは秒速30万kmです。

 

相対性原理

これは「全ての慣性系座標系は等価である。」というもので、

慣性系(等速直線運動をしている全ての物体)で物理法則は保たれるという意味です。

 

 

これら二つの原理から

「時間」と「空間」は関連しており「同」時刻というのは観測者ごとに異なる。

という結論が導かれました。

それが特殊相対性理論の概要です。

 

「同」時刻が観測者ごとに異なるというのは動いている人と止まっている人の時間の流れ(進む早さ)は異なる。という意味です。

具体的には「動いている」と時間はゆっくり流れます。

 

 

一般相対性理論

 

一般相対性理論とは特殊相対性理論を発展したもので、より一般的な理論として提唱されました。

 

なにがより一般的かというと

特殊相対性理論では「全ての慣性系」での話でしたが、一般相相対性理論では「全ての座標系」での話をしていることです。

 

一般相対性理論も二つの原理を元に展開されています。

【一般相対性理論:原理】
1.一般相対性原理
2.等価原理

一般相対性原理

上で簡単に言ったように特殊相対性理論での相対性原理の拡張版です。

「全ての座標系での物理法則は不変」というもので慣性系以外でも物理法則は保たれると言っています。

つまり加速度運動している物体にも適用できるわけです。

これは重力の影響も考慮するという見方もできます。

 

等価原理

「これは慣性質量重力質量は等価である」というものです。

慣性質量とは

$$F=ma$$

という運動方程式の\(m\)のことです。

簡単に言うと「物体の動かしにくさの質量」のことです。

 

対して重力質量とは

$$F=G\frac{m_1 m_2} {r^2}$$

という万有引力の式の\(m_1,m_2\)のことです。

これは重力質量が大きいと大きな引力が生じる」という意味の質量です。

 

これらの質量は概念は異なりますが同一のものとしているのが等価原理です。

 

 

この二つの原理から一般相対性理論が成り立っています。

一般相対性理論によってそれまでの宇宙の概念が変わったほど当時は衝撃的な理論でした。

 

この理論から

質量をもつ物体の重力により周りの時空にひずみが生じる

ということが分かりました。

 

具体的には以下のことが予言されました。

一般相対性理論による予言】
  • 宇宙の膨張
  • ブラックホールの存在
  • 重力波の存在

 

 

量子論

 

量子論にも量子力学量子場理論という二つの大きな理論があります。

 

量子力学

量子力学とは主として

「分子や原子などのとても小さい領域での物理現象を扱う力学のこと」です。

 

具体的には・・・

原子・電子・陽子・中性子などの力学を指します。

 

これら量子は良く「球」で説明されることが多いと思います。それのせいで「粒」のようなものと思っている人が多いかもしれませんが、それは量子の「一つの側面にすぎない」ということを注意してください。

 

簡単に説明しますと量子は「それ自体が「粒子」と「波動」の二重性をもっている」ということです。

 

量子力学の面白い具体例としては

【量子力学の例】
  • シュレーディンガーの猫
  • 量子コンピューター
  • 二重スリット実験

 

量子場理論

量子場理論とは

「量子力学を原子などの粒子のみならず「場」へも適用しようという」理論です。

 

「場」とは何か・・・?

 

簡単に説明するのが難しいですが、物質は「場」と呼ばれるものの振動であると考えることが出来るそうです。

それによると「粒子」も場の振動であると考えることができ・・・・。

申し訳程度に量子場理論関連のノーベル物理学賞を書いてきますm(__)m

量子場理論に関するノーベル物理学賞】
  • 2018年 対称性の破れ(南部、小林/益川)
  • 2015年 ニュートリノ振動
  • 2013年 ヒッグス粒子

 

 

古典物理学と現代物理学

古典物理学とは相対性理論や量子論が出てくる前の物理学のことで、主にニュートン力学のことを指します。

「ニュートン力学」と「相対論・量子論」はよく比較されて話されることが多いので、覚えておくとよいでしょう。

 

古典物理学(ニュートン力学)

ニュートン力学とはもちろんアイザック・ニュートン運動の法則の基礎として構築し、1687年ニュートンの著作「自然哲学の数学的諸原理(プリンキピア)」で公表されました。

 

このプリンキピアの中身は「作図を用いて幾何学的証明を重ねること」を方針としており、論理的とは言えない部分もある。したがってその後多くの人によって整理されています。

 

また、今日使われる「ニュートン力学」とは「プリンキピア」でのものではなく、多くの人によって整理された後の「相対論以前の力学」のことを指すことが多いです。

 

 

まとめ

・物理学には「古典物理学」「現代物理学」の二つがある。

・現代物理学は大きく分けて「相対性理論」「量子論」の二つがある。

・「相対性理論」はアインシュタインが一人で提唱した。

・「量子論」は多くの物理学者がたくさんの理論を提唱し作られていった。

・「相対性理論」はまず「特殊相対性理論」ができてそれを一般化したものが「一般相対性理論」

 

 

 

 

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