相対性理論と量子理論は何が違うのか

私達は、高校までの物理学では、ニュートンが集大成したとされる「ニュートン力学」を勉強してきました。これは「古典理論」という言い方をされています。

私自身、古典理論で四苦八苦するのに、さらに近年には、古典理論ということばよりも、相対性理論や量子論(量子力学)といった言葉がいろいろな所で見聞きするようになってきています。

これらの比較的新しい理論については、いろいろな所で記事やトピックを見ていて、おぼろげに言葉や少しの内容は知っているものの、その内容はよくわからないという方も多いと思います。

私も実のところ、その段階なのですが、私が理解できる範囲で自分の言葉で説明できたらいいなぁ・・・と思って、頭の中をまとめてみました。(もちろん、見直すごとに、書き換えないといけないほど混乱はあるのですが・・・)

相対性理論を考えたアインシュタインは、自然はシンプルな仕組みでできている(はっきりした言葉は忘れましたが)ということを考えていたようで、亡くなるまで自然を構成する理論のさらなる融合を考えていたと言われています。

そして、そのこともあってか、死ぬまでずっと量子論を受け入れなかった・・・という逸話を聞くのですが、それを聞くと「改めてすごい人だ!!!」という感じが蘇ります。

物理学を思索した

この図に3つの輪を図示していますが、古典力学、相対性理論、量子力学は重なる部分があるものの、これらがまとまらないというのが現在の状況のようです。

また、この図の重なりの部分は、それらを統合する考え方があるはずだ・・・ということです。

もちろん、それらを結びつける、重なった円の部分の考え方や理論も一つではなくて、いろいろ提唱されているようです。(これらはここで取り上げません)

さらにそれらの理論を含めて融合しようとする理論(例えば、超ひも理論やM理論)も目にすることがあります。

しかしここでは、古典理論、相対性理論、量子論とは何なのかを、超簡単に眺めてみることで、その違いなどをみていくことにしましょう。

 

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古典理論=ニュートン力学

ニュートンは、3つの運動法則ですべての物理現象を説明できるとしていました。

それは、「①慣性の法則」「②運動の法則」「③作用反作用の法則」と呼ばれていて、かいつまんだ内容は、「物体は力を受けなければ永遠に停止しており、力を受けると等速運動し、力の大きさや加え方によって加速され、力が作用するときは、その反対に同じ力を受ける」・・・というものですが、それをもとにして中高生でフックの法則や、自然落下の方程式などを学んできました。

学校の物理の授業では、ニュートン力学に関するいろいろな運動に関する設問に取り組んで悩んでいた・・・というコトですね。

言い換えれば、この古典理論は、私達の「身についている自然な考え方」になっています。

しかし、これから見ていこうとしている相対性理論や量子理論になると、どうも直感的によくわからない・・・と言うのがとっつきにくい原因なのかもしれません。

理論の違いは、空間と時間の考え方の差?

これらの新理論と実感しやすい古典理論に違いは、「空間」や「時間」に関係がありそうなので、少し歴史的にその考え方の推移をみてみましょう。

ニュートンの時代(17世紀頃)には、現在のように、宇宙が138億光年もの大きさがあって、それが今も広がり続けていることや、プランク長さ(や時間)という、10のマイナス何十乗という極微世界のことはわからなかったので、古典理論では、時間はゆうゆうと過ぎており、どこまでも一様な空間は続いている・・・という考え方が基本になっています。

だから、「時間」は操作することができないもので、どこにいても、周りには一様な「空間」がある・・・として、それを基にして考えられた物理法則が「ニュートンの理論」でした。

そして、これを用いて発展させることで、何の不自由もなく、300年以上にわたって、地球文化文明が発展できた・・・ということですね。

ところが、そこにアインシュタインが新しい考え方を提案したのです。

ここではとりあえず、細かいことや特殊な用語を抜きにして、イメージが持てるように説明していきます。

物体の慣性はエネルギー量に依存するか?

アインシュタインはこのタイトルの論文で、「物体がエネルギーを放射すると、その質量は、エネルギー÷光速の2乗だけ減少する」と書いたのが、有名な E=mc2 でした。

これはつまり、「光速が基本で、不変であり、その状態で質量やエネルギーは変化する」というので、ここでは、エネルギーと質量は同じもの・・・だということですね。

さらにそこには「相対性原理(相対性理論ではではありません。これは、運動する座標系においては、物理法則は変わらないという原理をいいます)」についても示されていて、「物理法則はすべての慣性系では同一に作用し、真空中における光速はすべての慣性系で一定」と言っているのです。

この相対性原理は「ガリレオ・ガリレイ」が提唱したもので、言い換えれば、宇宙のどこでも同じ物理法則が成り立つ・・・というのですが、アインシュタインはそれに光速不変(質量とエネルギーは光との相対速度で変わるもので、光速は常に同じという考え方)という考え方を加えて提唱したことになります。

これが、アインシュタインの相対性理論のうちの「特殊相対性理論」で、①飛行機の前照灯の光の速さは、光の速度(30万Km/秒)+飛行機の速度ではなく、30万Km/秒で変わらないということや、②双子の兄弟の一人が光速に近い速度で宇宙旅行をして帰ってくれば、地球に残った側はおじいさんになっているけれど、宇宙旅行した方はあまり歳をとっていないとか、③ロケットの速度が光速に近くなると質量が増える・・・というような、びっくりするような話が出てくるのです。

これらの詳細は別の機会に譲るとして、もう少し相対性理論を見ていきましょう。

 

「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」

アインシュタインは、まず、上の「特殊相対性理論」を発表しました。ここでは、光速は一定で、最速であり、何者も光速を超える事ができないとしています。

そして、この特殊相対性理論は、等速における理論ですが、それに、加速度という要素を入れて、「重力」を含んで組み立てたものが「一般相対性理論」です。

これによると、大きな重力によって空間が曲げられるだけでなく、光までをも曲げてしまうというのです。

 

ニュートンの古典力学では、「引力」としていた重力は、2つ(以上の)質量間に働く力とされていましたが、相対性理論では、重力は「時空をも曲げてしまう・・・」ということになります。

そして、それに基づくと、いろいろな現象がうまく説明できるといいます。

つまり、この考え方によって、地球上では考えられないような、宇宙でみられる出来事を一般相対性理論によって解明できる・・・として、現在では、この理論がほとんど「正しいもの」として定着しています。

それもあって現在では、この考え方を利用して、いろいろな地球規模の解明も行われており、カーナビによる地球における位置修正やISS( 国際宇宙ステーション)の地球時間とISS上の時間修正などのためにこの理論が使われている・・・という記事を読まれた方もおられるでしょう。

しかし、ロケットの打ち上げや地球上での運動解析では、古典理論を用いた計算でも「困るような大きな誤差が生じない」ということが実情のようで、このアインシュタインの相対性理論は、地球以上にスケールが大きい場合にその必要性がでてくる・・・というものだと言えます。

(そうは言うものの、実際の現代科学の世界では、宇宙ロケットなどの計算では、ニュートン力学と相対性理論での計算をしてみて、実用範囲を超えなければニュートン力学で対応している・・・ということのようです)

さらに、相対性理論でも、一つだけ大きな問題が解決されません

今日、宇宙は「ビッグバン」で始まって、現在も拡大を続けているという説が一般的ですが、これは相対性理論の産物で、逆に、その元をたどれば、1点に収縮するということもいえるのですが、相対性理論ではその点を解明できないというのです。

これを、「原初の宇宙に遡ると、広大な宇宙は体積がなく、密度が無限大になって理論が破綻する・・・」といい方をされます。

つまりこれは、相対性理論では言及できない、その外側にある未知の点で、「特異点(重力特異点)問題」などと言われています。

 

現在は、宇宙の広がり方は、連続で直線的な膨張ではない・・・ということがわかってきており、それは、宇宙の発生初期に「インフレーション」という特異現象があった・・・とする考え方が現在の宇宙論で固まってきています。

このインフレーションは、真空のエネルギーなどによって生じたもの・・・と考えられており(確定ではありませんが)、これについては相対性理論ではなく、次に説明する「量子論」からそのことが予想された・・・というのです。

つまり、大きいスケールでは相対性理論が有効ですが、微小部分では当てはまらないというイメージですね。

カーナビで使うGPSの精度を高めるためには相対性理論による修正が必要になっているのですが、そのGPSには、決まった周波数の電磁波吸収・放射を利用する、量子論の考えを利用した「原子時計」が使われています。

このように、本来は、すべての現象を共通して説明できる理論を考え出すことが重要なことなのですが、実用面(実際に生活に役立つようにすること)から見ると、相対性理論と量子論の良いところをうまく利用しているということもすごいことです。

これらを融合することで、いろいろな生活に役立つ技術として実用化されているのですが、逆に言うと、その量子論でもすべての事象を説明できないというが現状です。

次に、その量子論を少し見ていきましょう。

直感できない量子論

私達の身の回りの変化を見ると、すべてが連続的に変化していますが、しかし、微小世界では、連続的でない・・・というのです。

現在は、光は「波と粒子の両方の性質を併せ持つ」とされています。

すなわち、波の持つ「回折、干渉」が見られることは「光は波」であり、光を金属に当てると表面から電子が出てくるのは「光は粒子」という「光の2重性」があるのです。

電子の2重スリット実験Wikipedia(Wikipediaの図の一部を加工)

この回折・干渉では、図のような実験で、1つづつの電子を電子銃から発射しても、やはり(多量の光をスリットに通した時と同様に)干渉縞ができますし、さらに不思議なことに、その電子がどちらのスリットを通るのかを調べて、1つの電子の行方を追うと、干渉縞が現れません。

この現象を量子論では、「波動関数で示される確率分布にしたがって波束が収縮する」という言い方をされるのですが、電子(広い意味では量子)はあらゆる経路を「同時に」通り、自分自身が干渉して干渉縞を作っていることになる・・・という幽霊のような不思議なもののようです。

さらにそれが、もしもその経路の途中で、その量子を観察すると、その波束が収縮して、「そこに」量子が存在することがわかる・・・というのですが、このことを別の言い方をすると、観察されなければ、量子の位置はわからない・・・ということです。

ここでは説明しませんが、量子力学の立役者のシュレジンガーが「シュレディンガーの猫」という「思考実験(実際にしないが、頭の中で考える実験)」で、「箱の中の猫が生きているか死んでいるのは、箱を開けるまでわからず、箱を開けてみた瞬間に猫の状態がわかる・・・というような、こんな変な現象はおかしい」という内容を提起したことで有名ですが、さらに、このシュレジンガー自身の晩年には、「自分が量子力学に関わったのは間違いだ」といっていた・・・という逸話もあるぐらい、この量子の世界は不可解なもののようです。

そのほかにも、量子の不可解さを示す内容には、電子(量子)は自分自身が干渉するということは、①「まっすぐに進んでいないことになる」という考え方ができることや、②それらは、様々な場所に同時に存在するということや、③エネルギーの壁をすり抜ける「トンネル現象」がある・・・などの、通常では考えられない「幽霊的な挙動」があるというのです。

これらの現象は、今までの常識や考え方では考えられないような内容なのですが、これらの不可解な現象は、実際に実験でも立証されていますし、先程のGPSのように、いろいろな考え方を組み合わせて応用することで、量子論による考え方に基づく実用例が実用に供されているということもあって、量子論は自然現象・宇宙現象を解くことにつながる有力な理論である・・・という位置づけになっているのです。

さらに、SFの世界だと思っていたテレポーテーション・物質の空間移動なども、実験によって実証されてきているのですから・・・。

もちろんこれは「素粒子レベル」でのことですが、量子の持つ情報が、瞬時に遠く離れたところに伝わる・・・というのです。

これは、まさしく、SFにあった、「物質の遠隔操作の可能性」や「テレポーテーション」という瞬間移動などの話題に通じる興味深いものなのですが、これらは今までの古典理論やその他の考え方では説明できないもので、量子論ではそれが説明できるというのですから、すごいものです。

しかし、残念ながらこれは現在、ごく微小な量子(電子など)の現象で、それが宇宙にまで適用できるかと言えば、それは無理な段階のようです。

このような不得意分野があるということは、現時点では、古典理論、相対性理論、量子論のそれぞれが適用範囲が限定されているということで、さらに、共通の考え方がないので、「古典理論、相対性理論、量子論はいずれも相容れない」と言う言い方をされているのが現状と言えるようです。

古典理論、相対性理論、量子理論は融合できていない

以上のことから、量子理論は極微の世界、古典理論は地球上の出来事、相対性理論は宇宙などの極大世界・・・という棲み分けしている感じですが、アインシュタインがそうだったように、本来は、自然は共通の法則で成り立っていると考えたい・・・と言うのが物理学者の本意なのでしょう。

さらに、もちろんその理論は簡単な式で表される、つまり、Simple is best. ということがBESTだと考えているはずなのでしょうが、現状はまだ、その段階に達していないということのようです。

統一できる理論はあるのか?

もちろん、物理学者はそれを考えているでしょうし、「統一して使える理論」を予測する色々な考えが出てきているようですが、その一つでよく耳にするのは、「超弦理論(超ひも理論)」という言葉があります。

これは、量子論で言っている「粒子という『点』」ではなく、真空の中に10のマイナス35乗という微小な「ひも」ようなものがあって、そこにエネルギーや時間などが入ってこの宇宙が作られていると考えると、現在見つかっていない「重力子」は、閉じたひものようになっていると考えると説明できそうだ・・・というモデル(量子重力理論)で新しい空間次元に迫ろう・・・という考え方が超弦理論のようです。

こうなると、3次元空間も十分にわかっていない私のような頭では、説明することも出来ませんので、これはここまでにしておきます。

素粒子の探求も進んでいます

一方、重力、電磁気力、強い力、弱い力の「4つの力」が統一的に扱えると「物質の世界」が解明できると考えられていて、その延長で、2012年に、ついにCERNの加速器によって「ヒッグス粒子」が発見されたというニュースがありました。

ヒッグス粒子は質量を持つ・・・とされ、宇宙にある未知のエネルギー(=質量)の素(ダークマターやダークエネルギーのようなもの)ではないかと期待されていますが、今のところは、推定できる質量から考えてみても、宇宙の総質量には満たないようですので、どうも、宇宙には、ヒッグス粒子以外の「何か」わからない物質(ダークマターやダークエネルギー)がまだまだたくさんある・・・と考える人も多くいます。

ヒッグス場について

話は飛びますが、ヒッグス粒子はすでに発見された素粒子の1つですが、これとよく似た言葉に「ヒッグス場」というものがあります。

この「場」というのも難しい概念ですが、「環境」のような感じに考えるといいと思います。

素粒子 WEBの図を加工(参考図)WEBの図を加工しています

素粒子の中で、現在色々発見されている「素粒子間に働く力を伝える粒子」をゲージ粒子といい、それを説明する量子論が「ゲージ理論」で、そのゲージ理論を説明できる環境を「ゲージ場」というのですが、上の図のように、ヒッグス粒子は別格のものになっています。

 

これは、ヒッグス粒子を基準にすれば、まだ見つかっていない素粒子があるだろう・・・ということや、ヒッグス粒子の環境で素粒子の構成を考えるともっと考えやすい・・・などと科学者が考えた結果、「ヒッグス場を考えればいい・・・」ということになって「ヒッグス場」という現在主流のゲージ場とは違う「場」を考えようとされているのです。

このヒッグス場の考え方でダークマターの正体を見つけようとしているのですが、現在のところ、ダークマターの候補は、このヒッグス場の考え方以外にもいろいろと考えられています。

先程あった、よくわかっていない重力波や上に分類されない他の素粒子を見つけようと観測が進められていますし、CERNなどでも実験や研究が行われている・・・という混沌として状態です。

このダークエネルギーについては、現在のところでは、相対性理論でも量子論でも説明できないし、量子論に重力を加えてそれを説明しようとすると、量子力学の法則を根本から見直さないという考え方もあるなど、一つ抜き出たものが出ればノーベル賞候補となる内容ですので、熾烈な研究合戦が行われているのが現状のようです。

その一つの有力的な考え方の中に、インフレーションを起こした「真空が持つエネルギー」というものも候補なのですが、これも現状では、宇宙での重力レンズなどの観測値と、量子物理学・相対性理論から計算される値とがかけ離れすぎているということがあって、その考え方もやはり混沌とした状態にあるようです。

さらに、宇宙の構成要素のダークマターよりもわからない「ダークエネルギー」というのは、さらに見当もつかない状態で、そうなると、わからない問題がたくさんあリ過ぎて、理論的には、考える方向が決まっていない、決められない・・・というのが現在の状態だと言われています。

・・・といっても科学者は諦めるのではなく、今のところ、その打開の糸口の一つに、2016年に検出された重力波の研究が色々と進められているようです。

まず、重力波をできるだけ数多くとらえることで、それが何かということがわかってくれば、ビッグバンの状態がわかってくることにつながっていく・・・ということが主流のようです。

極端な考え方もあります

しかし、これらとは異色で極端な考え方もあります。

現在の基本的な考え方は、アインシュタインの考え方に基づいてビッグバン理論が組み立てられていますが、ビッグバン理論が間違っているので統一理論の進展が妨げられている・・・という考えなどもあるようです。

このように仮設を立てるのは自由ですし、仮説がないと理論に発展していきませんので、知られない考え方も多くあるようですが、これらはまた別の機会にしましょう。

 

このように、量子論と相対性理論の関係や内容すらも、まだまだ世界や物質について説明しきれていない・・・ということになるのですが、先ほども書いたように、それらの理論のいいとこ取りで、新技術や新製品が出てきているのは間違いありませんので、今後どのような暮らしに役立つ商品やそれに伴う理論が出て来ないとも限りません。楽しみに待っていましょう。

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これだけ書いたのですが、結局、このHPの内容も中途半端になってしまっていますが、ここで書いてきた量子論も相対性理論も、宇宙を構成する物質の探求のための考え方の一つで、それでも、量子論は超微小な世界を、相対性理論は超巨大な世界に適用できる理論だ・・・というまでになっているという言い方もできます。

その反対の見方をすれば、これらのいずれも、適用の「場」が限られるために、普遍的な理論とは言えない理論だ・・・ということかもしれませんので、ひょっとすると、見直しの必要性もでてくる可能性があるかもしれないのですが、古典理論を補填するものだと考えると、ある意味で、古典理論のスゴさを感じます。

地球上のほとんどの運動現象はニュートン力学でOKというのですから、人類のスゴさを感じますし、それを極微や極大の世界が続いているというのですから、私は、この世は不可思議だというしかないのですが、理論物理学者や宇宙科学者は頭の中に10次元とか11次元で宇宙や世界を考えている・・・ということを考えるだけでも頭がついてきません。

科学者の中には、多次元世界や目に見えないミクロな世界が頭の中にあるということですが、さらに科学者の中には、この宇宙は「1つ」ではなく、100何十億光年の大きさの宇宙が折り重なっている「マルチユニバース」になっていると考える人もいます。

これらは私の頭ではイメージも持てませんが、10年20年が経過すると、今の仮説が具現化してくるかもしれません。

普段の生活では、ダークエネルギーなどの宇宙の組成がわかったところで、どうなるというものではありませんが、それを考える過程で、暮らしに役立つものができてきていることを考えると、やはり、これらの研究を進めることを否定してはいけないと思っています。

SFに、地球上の人類(生物)が増えすぎて生活できなくなり、地球を離れて月や火星に移住する・・・という物語のSFなどもありますが、ニュースでは、戦争などで地球に住む人達が問題を起こす危険性のほうが大きい感じがします。

実際的には、生身の人間が何百年もかけて隣の星に宇宙旅行するということはほとんどないことなのですが、そういった夢も希望がなくなると進歩がなくなりますので、やはり宇宙や宇宙の仕組みの探求は重要なことですね。

中途半端な内容になってしまいましたが、お読みいただきありがとうございます。