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。これを新しい相対論や量子論に対して「古典理論」と言っています。
私自身もですが、古典理論で四苦八苦してきたのですが、さらに近年には、相対性理論や量子論（量子力学）というのが随所で聞かれます。
そこで私もおぼろげの理解度ながら、自分の言葉で説明できるように頭の中でまとめました。（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しています）
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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）と考えていたようで、亡くなるまでずっと、「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、死ぬまで「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！！！」という感じが蘇るのですが、まだ奥に未知の部分があるようです。
私の考えをまとめるためのメモ
考えをまとめるために書いた図ですが、ニュートン力学、相対性理論、量子力学の3つの輪を図示していて、これらがまとまらないという状況を示しています。 つまり、（この状態ではいけないのですが）この図の重なりの部分に3つを統合する何かの考え方（理論や実態）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はいろいろ提唱されているのですが、仮説段階なのでここで取り上げませんが、例えば、それらを融合できるとした「超ひも理論」や「M理論」などですが、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、その違いやイメージを頭に描いていきましょう。
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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ました。
「①慣性の法則」「②運動の法則」「③作用反作用の法則」と呼ばれるもので、簡単に言えば、「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。
それをもとにして、中高生では、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し、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、そして悩んでき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こともあってとっつきにくいのです。
理論の違いは、空間と時間の考え方の差？
これらの理論と実感しやすい古典理論に違いは、「空間」や「時間」に関係があるのですが、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り、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全くわかっていなかったので、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のです。
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、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、タイトルの論文に、「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」と書きました。 有名な E=mc2 です。
これはつまり、「光速は不変であり、その状態で質量やエネルギーは変化する」といい、エネルギーと質量は同じものだというのです。
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。相対性原理とは、運動する座標系において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のです。
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ここから出てくるのです。
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「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、等速運動中の理論ですが、それに、加速度という要素を入れて、さらに「重力」を含んで組み立てたものが「一般相対性理論」です。
一般相対性理論によると、大きな重力によって空間が曲げられるだけでなく、光も曲げられるというのです。
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。
そうなると、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、宇宙でみられる不可解な出来事も一般相対性理論によって解明できるとしており、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。
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ような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の場合には、光の速度よりもかなり遅い速度なので、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」ということのようです。
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のです。
もちろん、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、その結果が実用範囲を超えないようなら、ニュートン力学で対応しているようです。
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
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。
ビッグバンの考え方は相対性理論の産物で、宇宙が生まれた初期に遡ると、1点に収縮すると予想できるのですが、ただ、相対性理論ではその点を解明できないといいます。
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、理論の外側にある未知の点で、「特異点（重力特異点）問題」と言われています。
現在の宇宙の広がり方は、「連続であるけれども、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、とてつもない急膨張をした特異な現象があったとする考え方などで、小さな点から現在の大きな宇宙になったというのが現在の宇宙論の主流になっています。（もちろん、それ以外の説はあります）
このインフレーションは、「真空の持つエネルギー」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、相対性理論では説明できないということです。
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取り込んで、うまく利用されているという現状です。
相対性理論と量子論の良いとこ取りをして、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、逆に言えば、量子論でもすべての事象を説明できないということですね。
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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。 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」の挙動なので「光には２重性がある」というのです。
（Wikipediaの図の一部を加工）
回折・干渉については、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。
さらに不思議なことに、1つ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」という言い方をするのですが、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振る舞いをしているようです。
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」ということになります。
ここでは紹介しませんが、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に量子の世界は不可解なようです。
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から、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、量子には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のの実用化例のように、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現実的に実用化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。
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、それは無理でわかっていないことが多い段階です。
このような、それぞれの理論の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、量子論のそれぞれで、適用範囲が限定されているという状況で、それらをまとめる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い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です。
統一できる理論はあるのか？
もちろん、物理学者は、常々に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ある（もちろん仮説です）のですが、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りこんでいて宇宙が作られていると考えることで、現在見つかっていない「重力子」も、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）のようです。
この考え方で、新しい空間次元に迫ろうというのが 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、これを説明することも出来ませんので、簡単な紹介のみにしておきます。
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」が統一的に扱えるようになると、「物質の世界」が解明できると考えられています。
その延長ですが、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言うこともわかってきており、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。
しかし今のところは、それらを含めた推定できる物質の全質量を考えても、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。
（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の1つに「ゲージ理論」があり、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。
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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」などとして科学者が考えた結果、「ヒッグス場を考えればいい」ということから、「ヒッグス場」という、現在主流のゲージ場とは違う「場」を考えることで解決しようと考えているものです。
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で考える以外にもいろいろと考えられています。
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る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状況です。
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、説明できていませんし、量子論に「重力（重力子という粒子）」を加えて説明しようと検討されているのですが、押し進めていくと、量子力学の法則を根本から見直さないといけなくなるという考え方も出てくるなどがあって、かなり混迷の状態にあるようです。
一つ抜き出た理論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」というものも見えない物質の候補です。
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、宇宙の構成要素であるダークマターよりもわからない「ダークエネルギー」というものについては、さらに見当もつかない状態で、そのようなわからない問題がたくさんあり過ぎるので、理論を考える方向さえも決まっていないし、決められない状況です。
しかし科学者は諦めているのではなく、今のところ、その打開の糸口の一つに、2016年に検出された（と見られる） 重力波の研究が色々な方向で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から切り開こうとしています。
もっと極端な考え方もあります
現在の原子物理学では、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るのですが、その、ビッグバン理論が間違っているかもしれないということが統一理論（物質を解き明かす究極理論）の進展が妨げられているという意見もあります。
このように、現状を打破するための仮説を立てるのは自由ですし、仮説がないと次の理論に発展していかないので、異論はないといけないのですが、一般には、知られないような様々な考え方（仮説）も多くあります。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、宇宙やそれを構成する何かの物質についても説明しきれていない状況で、こうなると失望的になりそうですが、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し、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から、一般人としては、楽しみに待っているだけでいいでしょう。
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【お詫び】ここまで書いてきて、結局、現状の考え方を客観視すると、どうしてもHPの内容がぼやけてしまいます。 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、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のですが、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。
ひょっとすると、最近良く聞かれるようになってきた「多次元宇宙」や「多重宇宙」などが顔をもたげる可能性などもあるかもしれないのですが、あくまで仮説の段階から始まるものですし、この世界でほとんどうまく行っている「古典理論」を補填するものだと考えると、古典理論自体もスゴいものです。
地球上のほとんどの運動現象は「ニュートン力学でOK」というのですからすごいものですし、古典理論をもとにして極微や極大の世界が続いているというのですから、この世は不可思議ですね。
それを解き明かそうとして、理論物理学者や宇宙科学者は頭の中に10次元とか11次元の宇宙や世界を考えているようです。
また、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」になっていると提唱している人がたくさんいます。
これらは一般人はイメージすらも持てませんが、10年20年が経過すると、今は仮説の状態でも、実験や観察で具現化してくるかもしれません。
宇宙の探訪の話題も多く、火星に人を送り込む計画があっても、生身の人間が何百年（いや、それですまない長期間）で隣の星に宇宙旅行するということはほとんどないでしょう。
しかし、そういった夢や希望がなくなると人類の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といえます。
中途半端な内容になってしまいましたが、定期的に見直すようにしています。お読みいただきありがとうございます。
（来歴）R5.2月に見直し R6年5月に誤字脱字訂正 R6.10月に確認