私達は、高校までの物理学では、「ニュートン力学」を勉強してきました。
ニュートンの力学は、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。
近年は、相対性理論や量子論（量子力学）という言葉が加わっています。
そこで、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が … ）
アインシュタインの大作 ： 相対性理論
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す。
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」という逸話を聞きます。
それを聞くと「改めてすごい人だ！！！」という感じが蘇ります。そして、まだ奥に未知の部分があるというのですから。
私の考えをまとめるためのメモ
考えをまとめるためにずを書いてみました。
これは、ニュートン力学、相対性理論、量子力学の3つの輪が真ん中にあります。
そして、これらですべてが説明でき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ますが、仮説段階なのでここで取り上げません。
例えば、それらを融合できるとした「超ひも理論」や「M理論」などがそれです。
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、その違いやイメージを頭に描いていきましょう。
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」と呼ばれるものです。
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。
また、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み、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に対する考え方」になっています。
だから、これから見ていこうとしている、相対性理論や量子理論は、どうも自然でない、直感的によくわからないことで、とっつきにくいようです。
PR
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」に関係があります。
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ませんでした。
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、この理論で、不自由なく、300年以上で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。
ここからは、細部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 ですね。
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」といいます。
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（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。
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。
この相対性原理は「ガリレオ・ガリレイ」が提唱したものです。
言い換えれば、「宇宙のどこでも、そこでは、同じ物理法則が成り立つ」というものです。
しかし、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」です。
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。
「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。 だから、それに、加速度という要素と「重力」を含んで組み立てたのが「一般相対性理論」です。
一般相対性理論では、空間が重力によって空間が曲げられます。 そして、光も曲げられるというのです。
引力・重力
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。
これが、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、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います。
そして現在では、この理論が「ほとんど正しいもの」として定着しています。
現在では、この考え方を利用して、いろいろな地球規模の現象解明も行われています。
例えば、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上の時間修正などで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」といいます。
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のです。
もちろん、実際の現代科学の世界で、たとえば、宇宙ロケットなどの計算は、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す。
これは、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といいます。 しかし、相対性理論で「その1点」が解明できないといいます。
このことを、「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 … 」と言ういい方をされます。
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。
インフレーション
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います。
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 … とする考え方です。
つまり、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です。（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います。（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、大きいスケールで有効な相対性理論が、微小部分を説明できないといいます。
相対性理論と量子論のいいとこどり
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ます。
しかし、そのGPSでは、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求められているものの、実用面では、相対性理論と量子論の良いところを取り込んでいるといいいます。
逆に言えば、量子論だけでも、すべての事象を説明できないということです。
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、量子論が扱う「微小世界では、連続的でない」といいます。
たとえば、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」の挙動です。
だから「光には２重性がある」というのです
（Wikipediaの図の一部を加工）
回折と干渉についての、図のような実験でがあります。
これは、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）干渉縞ができる様子を示しています。
そして、さらに不思議なことがあります。 1つの電子がどちらのスリットを通るのかを調べるために1つの電子の行方を追うと、干渉縞が現れません。
量子論ではこれを「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」と言います。
つまり、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ります。 まるで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います。
これを別の言い方では、「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。
シュレディンガーの猫
量子力学の立役者の シュレディンガー の「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）」があります。
「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。こんな変な現象はおかしい」ということを提起した有名なものです。
そのシュレジンガー自身でさえ、晩年に「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、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、「電子（量子）は、自分自身が干渉する」といいます。
このことから、光は 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ます。
そして、②それらは、様々な場所に同時に存在するという。 さらに、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です。
そして、これらの不可解な現象は、実際に実験で立証されています。また、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されています。
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でも、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ます。
PR
テレポーテーション
さらに、SFの世界の用語だと思っていた、「テレポーテーション・物質の空間移動」も、実験によって実証されてきています。
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のです。
SFの「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が量子論で説明できるというのですから、すごいものです。
そして、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のようです。
もっとも、残念ながらこれは現在、ごく微小な量子（電子など）の現象です。
だから、それが宇宙全体に適用するには、わからないことが多すぎる段階のようです。
つまり、それぞれの理論の不得意分野があるので、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使われているという状況です。
もちろん、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ます。
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ます。
でも、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. ということだと考えているはずでしょう。
しかしともかく、現状はまだ、その段階に達していないということですね。
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はずです。
だから、「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）ようですが、その一つに「超弦理論（超ひも理論）」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ています。
そうすると、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、重力が説明できそうだというモデル（量子重力理論）のようです。
超弦理論は、この考え方で新しい空間次元に迫ろうとしているようです。
こうなると、3次元空間も十分にわかっていない私の頭では説明すら出来ません。 だから、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」が統一的に扱えれば、「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、2012年にCERNの加速器によって、素粒子「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。
だから、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。
簡単に言えば「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ます。
ゲージ理論
それを説明する量子論の1つに「ゲージ理論」があります。
そのゲージ理論を説明できる環境を「ゲージ場」といいます。
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」ということとか、「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から、「ヒッグス場」というものを考えれば、それがわかってくるらしいのです。
つまり、「ヒッグス場」という、現在主流のゲージ場とは違う「場」を考えることで全物質の構成を解決しようと考えられているようです。
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。
ダークエネルギーについては、現在のところでは、相対性理論や量子論でも、推測すらできていません。
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きて、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の内容です。 だから、熾烈な研究合戦が行われているのが現状です。
真空のエネルギー
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。
しかし、宇宙の全質量（＝全エネルギー）が、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て、真空エネルギーが見えない物質であることもはっきりしません。
さらに、宇宙の構成要素であるダークマターよりもわかっていないし、「ダークエネルギー」は、さらに見当もつかない状態です。
だから、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ます。
しかし、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で、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。
もしも、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。
そうはいっても、一般には、知られない様々な考え方（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。
宇宙の構成
このように、量子論と相対性理論の関係や内容すらも、また、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す。
こうなると失望的になりそうです。 しかし、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ます。
だから、今後、暮らしに役立つ商品やそれに伴う理論が「ぽっと」出て来るかもしれません。
＊＊＊＊＊
ともかくここまで書いてきましたが …
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えます。
しかし、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ません。
これらの新しい考え方は、まず、仮説の段階から始まるものですから、俎上に上がるまでにも時間がかかるでしょう。
そう考えると、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、古典理論自体はスゴいものです。
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 … 。
この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、この世は実に不可思議です。
そこで、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ます。
もっとも、これらの検証はいつになるのかわからないぐらい先になりそうです。
宇宙論の世界も混とんとしています
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、ノーベル賞表彰が10年～20年遅れているとすれば、仮説が検証されて具現化してくるのは数十年先ということでしょうか？
そして、宇宙の探訪の話題も多いです。
でも、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）かかって、隣の星に宇宙旅行するということは、まず、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。 だから、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 R7.12月に確認
