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量子力学についていくつか質問があります。

まだ興味を持ち始めたばかりで、完全な物理未経験者のため、未熟な質問ですが回答していただけましたら幸いです

まず、量子力学と相対性理論は対立している様ですが現在の物理研究ではどちらが優勢とされていますか?

また、量子力学と相対性理論を組み合わせたものを超ひも理論といい、量子力学側から派生したものが多世界解釈理論なのですか?

今はどの物理の理論がいちばん注目されているのですか?

あと、量子力学では例としてよく、シュレディンガーの猫と二重スリット実験が挙げられますがなんとなく理解はしたのですが、やはり物理での計算や粒子の結び付きなどの科学的知識が足りずよく分かりません。

量子力学を完全に理解するにはまず何から勉強すれば良いのでしょうか。

完全物理初心者のため、分かりやすく教えてくださると有難いです。

質問者からの補足コメント

  • 量子力学には夢と謎があり、とても興味深い分野だと思い、理解したくなりこのような質問をしました。

    最後にもう一つ質問です。量子生物学は量子力学の中にある物理学ですか?
    それとも単体で存在するのですか?

      補足日時:2022/10/25 18:14

A 回答 (5件)

>まず、量子力学と相対性理論は対立している様ですが現在の物理研究ではどちらが優勢とされていますか?



まず、対立はしていません。

量子力学と、特殊相対性理論をあわせたものが、場の量子論であり、現在の素粒子物理学の最高峰、標準模型です。ミクロの素粒子現象を、ほぼ例外なく説明することが可能です。

一方で、標準模型は、4つの力のうち重力を扱えません。つまり重力を説明する一般相対性理論とは融合されていないのです。

今のところ、ミクロは標準模型、マクロは一般相対性理論、扱うスケールで理論を使い分ける・・・ということです。どちらが優勢という考え方が、そもそも間違いです。

>また、量子力学と相対性理論を組み合わせたものを超ひも理論といい、量子力学側から派生したものが多世界解釈理論なのですか?

場の量子論による標準模型は、

・ 重力を扱えない。
・ あるスケール以下はくりこみ。
・ 階層構造の説明が、不十分。
・ 素粒子と言うには種類が多すぎる。
・ 多くの相互作用パラメータが実験値。

など、統一的にこの世の仕組みを説明するには至っていません。それを説明する候補の1つが超弦理論です。(物理学者は、あまりひもと言いません)
素粒子を、弦の振動状態に見立てることで、標準模型のボトルネックを次々と説明しています。

多世界解釈は、観測問題に対するひとつの仮説で、初期量子論でも場の量子論でも使われます。しかし、統一理論へのステップとは別視点です。

>今はどの物理の理論がいちばん注目されているのですか?

何を注目とするかで違います。場の量子論を更に極める、超弦理論はすごいですが、今のところ実験で検証出来ないためこれが物理理論か?という批判もあります。

>あと、量子力学では例としてよく、シュレディンガーの猫と二重スリット実験が挙げられますがなんとなく理解はしたのですが、やはり物理での計算や粒子の結び付きなどの科学的知識が足りずよく分かりません。

学問に王道なし。残念ながらこの質問も含めて、この手のやりとりで、本質を理解することは不可能です。

>量子力学を完全に理解するにはまず何から勉強すれば良いのでしょうか。

いわゆる量子力学で、初期量子論や電子の扱いを学び、その後、場の量子論、素粒子物理学などに。その前提として、解析力学や、関連する微積分などの数学知識も必要。急がば回れです。独学は無理かな。
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まず、特殊相対性理論と一般相対性理論は対象からして全く異なりますので、相対性理論を特殊相対性理論に限った話とします。

以下は、物理学科は出たもの量子力学を使いこなしたことはなく、一般向けの書物をかじっただけ者の考えです。

特殊相対性理論は、アインシュタインがそれを発表した論文のタイトル”運動している物体の電気力学について”の通り電気力学の深層にある原理を明らかにしたものです。電磁気の基本的な特性(例えば、電場と磁場の関係)の本質的な説明には必要ですが、ニュートン力学の対象とする領域では、光速に近い速度の運動を除いて特殊相対性理論を用いる必要はありません。

一方の”量子力学”は、原子段階の大きさの電子が関与する力学をニュートン力学を倣って新たに構築しようとしたものです。それは勿論、電磁気力を含みますが、それは単に力として扱うだけです。そして、原子内の電子速度は光速の1/100程度ですので、特殊相対性理論を用いる必要はないので、ハイゼンベルクやシュレーディンガーが提起してディラックがまとめた(いわゆる)”量子力学”に特殊相対性理論が含まれなかったのは当然と言えます(〜1927年)。電子のスピンや電子の消滅/生成については特殊相対性理論を組み入れることが必要でした(1928年のディラック方程式)が、この原子内電子の運動を説明する量子力学は(スピンの振る舞いを付け加えるだけで)化学や半導体物理等の大抵の実用的な解析に十分で現在でも現役です。ですから、半導体工学や化学, 生物の分野では、特殊相対性理論を組み入れてない量子力学で十二分な訳です。

物理学は切りもなく真実を求めようとしますので、量子力学に特殊相対性理論が組み入れた”量子電磁気学(QED)”が1947年頃に整備されましたが、それらが役に立つのは、原子核とか素粒子の成り立ちや生成/消滅反応のような最先端の分野で、例えば化学は勿論のこと量子力学が必要であるとされる半導体物理にも全く必要ありません。
そして、QEDでも陽子や中性子を構成するグルーオンを扱うには不十分であることになって、超弦理論等が提起されていると、私は思ってます。

私は、特殊相対性理論は電磁気学の範疇にあって完成された理論だと思います。一方の量子力学はシュレーディンガーの段階でさえ、今年のノーベル物理学賞対象の”量子もつれ”や、粒子性と波動性の両立等に未だ問題が残っており、そのために多世界解釈も提起されているのだと思います。

量子力学の勉強は、大物理学者が一般者を対象として書いた書物や、講演を読まれることから始めるのが良いと思います。
まず、朝永さんのものがお勧めです。2重スリット問題を説明した”光子の裁判”が有名ですが、それ以外にも多くの講演録, 解説記事があります。特に、戦後直ぐの時代のものがお勧めです。図書館には全集があると思います。
ファインマンの講演録”光と物質の不思議な理論”も良いと思います。

量子生物学については何も知りませんが、半導体物理でさえシュレーディンガー方程式を完全に理解できてなくとも済ませられますので、量子力学については先の書物にある一般的な知識で始めて、必要に応じてその都度勉強すれば良いのではないでしょうか。QED以降の理論は勿論のこと、シュレーディンガー方程式やディラックが始めたプラ・ケット ベクトルを使う量子力学も習熟する必要はないように思えます。
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参考程度に



『素粒子と宇宙の疑問 知りたい肝心のところをとことん具体的に解説 ーこの世界は何からできているのか 宇宙はどのように始まり終わるのかー』 https://www.amazon.co.jp/dp/B08DNG1HS1
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量子力学の方が理論としては精緻で守備範囲が広く、統一理論を築くなら量子力学がベースになると思われる。


現在の宇宙の物性の基本となっている素粒子の標準理論もそうだし超ひも理論もそうである。

いちばん注目というのはない。
トレンドは日々変わるし現在はデカルトの要素還元主義が進みすぎ、どんな物理の大家でも物理学全体を俯瞰することは極めて困難になっている。

シュレディンガーの猫は量子力学の考え方の根本を表している。
「中の猫が死んでいるか生きているか分からないなら死んでもいるし生きてもいると考えて理論を構築しましょう」
ここから二重スリットの干渉縞も説明できるし電子の確率雲にもたどり着く。

これに反対したのがアインシュタインで、彼は自然現象は単純で美しい方程式で記述できると信じていた。
シュレディンガーの猫でいえば
「なら中を観測できる方法を開発し生きているか死んでいるか確定すればよいだけの話ではないか」
というわけである。

量子力学は適用範囲にもよるが、ニュートン力学や熱力学・統計力学、電磁気学の知識を必要とする。
数学はそれらを習ううちに自然に身に付く。
ただし「解析学」と「線形代数」は基礎知識として身に着けておく必要がある。
とくに代数の知識がないと、量子力学の方程式は何を言っているのがさっぱり分からない。

とにかく物理は高度に体系化されていて、数学のような緻密な建築物の様相である。
(物理の歴史を鑑みれば当然のことではあるが)
ニュートン力学をおろそかにして次の段階には進めない。
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個人的な印象なので違っているかもしれませんが・・



>>まず、量子力学と相対性理論は対立している様ですが現在の物理研究ではどちらが優勢とされていますか?

量子力学です。

>>また、量子力学と相対性理論を組み合わせたものを超ひも理論といい、量子力学側から派生したものが多世界解釈理論なのですか?

両方かも?

>>あと、量子力学では例としてよく、シュレディンガーの猫と二重スリット実験が挙げられますがなんとなく理解はしたのですが、やはり物理での計算や粒子の結び付きなどの科学的知識が足りずよく分かりません。

猫ちゃんのほうは、わりと簡単に理解できると思います。
重スリット実験も、2重性を考えたら、わりと簡単に理解できると思います。

>>量子力学を完全に理解するにはまず何から勉強すれば良いのでしょうか。

数学かもしれませんね。
それから、相対論の勉強というなら、電気磁気学の発祥のころの論争などを調べたらいいと思います。
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