相対論と量子論について

質問

相対論と量子論について一般人に詳しく説明できる方おらえますか？おられたら説明していただけませんか？

回答No.3

satoumasaru · ベストアンサー

＃１です。キーワードといわれても、「動詞、名詞、形容詞、副詞、時制」だけで「英語」がわかるとも思えませんが・・・。まあ、そうはいっても、折角おたずねですので、私が以前、掲示板で回答したこととも重なりますが、一応わかりやすく書いてみます。

＃２の方のご意見を受けてまず特殊相対論を説明します。特殊相対論は、たったふたつのことが原則になっています。
１．慣性系において物理の法則は同等である
２．真空中における光の速度は一定である
たったこれだけなんです。

慣性系というのは、一定の速度で動いている系のことです。この慣性系の中では物理法則は全く同じ式でかけるというものです。静止している系Ａを動いている系Ｂから観測すれば、むしろＢが静止して、Ａが動いているように見えます。このそれぞれの系が、全く同等というものです。これが１です。

もうひとつの原則は、光速度は真空中においては一定の速度で進むというものです。（そう観測されるといったほうがわかりやすいかもしれません）、これが２ですね。

なんだい、こんなことは当たり前じゃないかと思われるかもしれません。でも次を考えてみましょう。（光速度を３０万ｋｍ／秒とします）。ロケットが光速度の半分、１５万ｋｍで地球に近づいているとします。そのロケットからだされた光が地球に届くとしますね。普通だったらロケットから発射される光の速度は、ロケットの速度＋光の速度で４５万ｋｍの速度になるはずですよね。

ところがこれは先ほどの２、光速度不変の原理に反します。ではアインシュタインはどうしたか、光速度不変になるように空間と時間の概念を変えてしまうのです。空間と時間は私たちは別々の不変のものと思っていますが、むしろ不変なものは光速度であり、空間と時間は一体となって、光速度が不変になるように変更されるというものなんです。そのため、距離が短くなるとか、時間が遅れるとか、非常識で理解に苦しむことがたくさんでてきます。

詳細については数式できっちり書かなければなりませんし、このような小スペースで書ききることはできません。ですので、ご自身で一度勉強をしてみて下さい。一般の啓蒙書は相対論がもたらす状況を興味本位で書いてあるものが多いですが、きちんと理解しようとすると数式もはいっている本が必要です。数式が入っているといっても、中学生程度の数学の力があれば特殊相対論は理解することができます。

私には「相対性理論の初等講義／東京図書」がおもしろかったです。もっともすでに絶版になっているかもわかりません。一般的な啓蒙書としてはPHP 文庫の「『相対性理論』を楽しむ本」（1999 年 佐藤勝彦 監修）がいいですね。

なお、アインシュタインは特殊相対論ではまだ不十分だと考えました。なぜなら、運動には等速度で動く場合だけではなく加速度運動（広い意味での加速度運動というのは速度が速くなるだけではなく減速するもの、回転するものも含まれます）もあるからです。

考えてみてください。新幹線の中で新幹線が同じ速度で走っている間は、ホームでまっているときと同じ感覚ですが、加速するとき、減速するとき等には、慣性力という力がかかります。また回転運動がある場合は遠心力がかかります。純粋な慣性系というのはきわめて特殊なものです。だからこそ、アインシュタインは、慣性系のみで成立する＝特殊な条件でしか成立しない、ということで特殊相対論と名付けたのです。

アインシュタインは、この特殊相対論を更に拡張して、加速度系（非慣性系）にも適用しようというものです。そのための公理として
１．あらゆる非慣性系においても物理法則は同等である（正確には局所慣性系において物理法則は同等である）
２．加速度の及ぼす影響と重力の及ぼす影響は区別できない。（等価原理）
ということを基本として一般相対論を考え出したのです。

もともとは加速度系の物理法則を考えるために、一般相対論を考えたのですが、等価原理により、加速度運動を記述することは、そのまま重力を記述することになります。ですので一般相対論は重力を取り扱う理論といえるのです。

一般相対論は多くの予言をしています。たとえば重力が強い場所では時間の遅れが生じる、重力が強ければ空間が曲がる、水星の近日点移動がニュートン力学よりわずかにずれる等々です。これは、。１９１６年という今から９０年近い前に発表された理論にもかかわらず、現在の高い観測技術でも、確認されています

一般相対論について理解するためには、テンソル、リーマン幾何学等々の大学の数学専攻程度の能力が必要となります。

第二におっしゃられた量子論については、「エネルギーには最小単位がある」ことが基本なのです。それからの後の話は、＃２の方がおっしゃられているとおり、きわめて難しいものです。波動方程式や、行列、このあたりを十分理解できないと、なんのことかわかりません。また哲学的にも観測問題という興味深い（っていうか私たちの理解をはるかに超えている）問題もでてきます。わたしの能力では「わかりやすく書く」ということは無理です。とりあえず、ＷＥＢでの百科事典をご紹介します。

フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』
特殊相対性理論
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%89%B9%E6%AE%8A%E7%9B%B8%E5%AF%BE%E6%80%A7%E7%90%86%E8%AB%96

フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』
一般相対性理論
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%80%E8%88%AC%E7%9B%B8%E5%AF%BE%E6%80%A7%E7%90%86%E8%AB%96

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』
量子論
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E8%AB%96

お礼

ありがとうございます！大変参考になりました。実は
先日、超ひも理論についての本を読んだのですがイマイチ
ぴんときませんでした。それでその前の段階の相対論と量子論を学んでみようと思い立ったのです。完全な文系人間でしたので困っていました。

回答No.2

c7qkhsyu

相対論ならある程度可能ですね、ごく初等的部分なら。
高校程度の数学使います。その前に物理法則を実験と言い換えて、光速度不変の原理をいかに理解させるかが最初の関門です。あと相まには気をつけないと。

量子論はまず無理な気がします。数学も行列とか変換論とか高校程度ではすまないし忍耐も必要です。

回答No.1

satoumasaru

はじめまして。

率直な話、相対論も量子論も「一般人に詳しく説明できる」といっても、こんな小スペースで「詳しく」説明なんてできません。相対論も量子論もその結果たるや摩訶不思議なことで非常識きわまりないことがでてきます。それを理解してもらうということは至難の業でしょう。

具体的に何がわからないのでしょうか？　「何もわからないからわかるように説明して欲しい」というご意見かもしれませんが、それは無理です。説明したところで、次から次へ疑問がでてきます。

相対論や量子論に関しては、このWEBでも多くの質問がだされ、いろいろな回答がだされています。また入門書も多く出されています。そのあたりを一度ご覧頂いて、その上で何がわからないのかを具体的にご説明いただければありがたいのですが・・・

補足

回答ありがとうございました。
あの・・・キーワードを教えていただけませんか？
例えば・・・英語なら動詞、名詞、形容詞、副詞、時制というように。