【簡単】ニュートン力学と相対性理論と量子力学の違い

ニュートン力学と相対性理論と量子力学の違い 量子力学

「ニュートン力学と相対性理論と量子力学ってどう違の? 相対性理論をわかりやすくしりたい。量子力学を簡単に説明してほしい。 物理学ってなんだか難しそうだな…」

こういったMBAの筆者が解説します。

結論

ニュートン力学は私たちの日常生活で使うような理論、相対性理論は信じられないくらい速かったり重かったりする時の理論、量子力学は信じられないくらい小さいスケールの理論です。詳細は本記事にて解説します。

本記事の内容

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ニュートン力学と相対性理論と量子力学の違い

ニュートン力学と相対性理論と量子力学の違い

ニュートン力学は私たちの日常生活で使うような理論、相対性理論は信じられないくらい速かったり重かったりする時の理論、量子力学は信じられないくらい小さいスケールの理論です。

ニュートン力学と相対性理論

ニュートン力学と相対性理論の違い

ニュートン力学では光の速度くらいの速さで移動するロケットも、三輪車で走る幼稚園児も同じように扱います。それに対してアインシュタインの特殊相対性理論は光の速度くらいの速さで移動するロケットは長さが縮んだり、時間が遅くなったりします。どのくらい縮んだり遅くなったりするかは上式で計算でき、例えば光の速度の90%ぐらいで移動すれば44%ほど縮み、1秒が0.36秒にゆっくりになるのです。これはあくまで、地球から見てロケットが短く見えたり時間がゆっくりになっているように見えるだけで、ロケットから見た人はロケットが縮んだり、時間がゆっくりに感じるのではありません。むしろ、ロケットから見た人は地球が縮んだり、地球の時間がゆっくりに見えるのです。
特殊相対性理論を発展させたのが一般相対性理論で、特殊相対性理論は等速直線運動の時のみの理論でしたが、一般相対性理論は加速度運動にも適用できるのです。物体が加速しているということは重力を受けていると同じことなので、重力の理論と言われることもあります。ニュートン力学では無重力でも重力が大きい場所でも同じと考えていましたが、一般相対性理論では重力が大きいところは空間が歪んでいることがわかります。ちなみに一般相対性理論が提唱されてから3年後には「重力が光(空間)を曲げている」が日食の観測でわかり、アインシュタインの正しさが証明されました。

ニュートン力学と量子力学

ニュートン力学では太陽の周りを地球が回っているように原子核の周りを電子が回っていると考えます。しかし、量子力学では原子核の周りを電子が雲のように確率で存在していると考えます。量子力学では電子のような小さいものは電子がここにあるとはいえず、電子がココにある可能性が何%、あそこにある可能性が何%といったように確率でしか存在を予言できないのです。またニュートン力学では例えば電子のような小さな球でも、野球のボールと同じように位置と速度を同時に決めることができます。それに対して量子力学では電子のような小さな球は位置を決めると速度が曖昧になるし、速度を決めると位置が曖昧になるという不確定性原理に従います。つまり小さな物質は位置を決めてから速度を決めるのと、速度を決めてから位置を決めるのでは結果が変わるのです。ちなみにアインシュタインは電子の存在が確率で決まるような確率解釈を受け入れられず、晩年反論していましたが「ベルの不等式」の実験でアインシュタインの主張が間違っていたことが証明されたのです。

相対性理論と量子力学の融合

相対性理論と量子力学は融合されようとしています。例えば宇宙は138億年前から膨張し続けてきており、逆に138億年前は点のような小ささでした。それを一般相対性理論で計算しようとすると特異点という計算不可能な要素がでてきてしまうのです。そこで一般相対性理論を使いつつ、量子力学的な小さなものの計算ができるように一般相対性論と量子力学の融合「量子重力理論」が期待されているのです。また量子重力理論が必要なもう1つの理由にブラックホールが飲み込むのに何も吐き出さないことがあげられます。ブラックホールは「重い」ので一般相対性理論で計算します。しかし、量子力学では「飲み込むのと吐き出すのは同じ量でないといけない」というユニタリティー原則があります。これではパラドックスが起きてしまうため、量子重力理論が必要なのです。
現在量子重力理論には超ひも理論とループ量子重力理論の2つがあります。例えば超ひも理論とは物質の最小単位は10次元空間を振動するひもであるという理論で、超ひも理論ではこのパラドックスを「ブラックホールの表面から中に入った物質は吐き出さないが、ブラックホールの表面にくっついたひもはちぎれて外に飛んでいく」として回避できるのです。

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