相対性理論と量子論（素粒子論）は、相性が悪い。としか、説明されないのは、何故ですか？

Question

相対性理論と量子論（素粒子論）は、相性が悪い。
としか、説明されないのは、何故ですか？

どなたか？
相対性理論と、量子論（素粒子論）の相性の悪い理由を、教えて下さい。

ogi_3 · Accepted Answer

相対性理論はマクロの世界を対象しているのに対して、
量子力学はミクロの世界を対象としています。
今の物理学では、その双方を統合する理論が成立されていません。
「神の数式」を求めて、日々理論物理学者は奮闘しています。

tknakamuri · Answer

量子論では「時空」は物質やカやエネルギーの動く舞台に過ぎないけど
相対論は物質やエネルギーの存在が時空に影響を与え
「時空」は物質やエネルギーとは不可分の存在。
理論的な枠組みがかけ離れている。

chiha2525 · Answer

なかなか難しい質問ですねｗ
扱っている領域が違い過ぎてなかなか一緒に扱えない、という感じなのかな。お互いが誤差程度の違いしかもたらさないから、考慮せずに式を展開していったので十分成り立つと。月と地球、あるいは人と地球なら重力は効きますが、人と人では重力は微小すぎます。素粒子と素粒子に重力は、考えなくてもいいよねってなりますｗ

または、相対性理論というとブラックホール、質量があればシュワルツシルト半径が求められます。素粒子に質量あるよね、大きさは？無いの？じゃブラックホールじゃん。ってなっちゃうんです。でも世の中の全ての物質がブラックホールだと困るので、いや大きさはないけど位置も分からないフワっとしてるだよ、とか言って何とかなってると考えてるんだけど、そのフワっとしているあたりが良く分からないから、１つの理論で説明できないって感じでしょうか・・こちらは私の勝手な妄想話かもしれませんがｗ

d9win · Answer

シュレーディンガーは、まず特殊相対性理論と整合するド ブロイ波に則った関数ψを用いて波動方程式を試みましたが、それはニュートン力学と整合しませんでした。例えば、自由電子の運動エネルギーは、ニュートン方程式ではE= p^2/(2m)だが、(特殊相対性理論と自ずと整合している)電磁波の波動方程式ではE= p cとなります。それで、一般的な波動方程式はψの2階空間微分がψの2階時間微分をc^2で除した形をしているが、ψの1階空間微分がψの2階時間微分に比例して、E= p^2/(2m)を導くような比例係数を設定しました。これは自由粒子にしか適用できませんが、それにポテンシャル項を付け加えたのがシュレーディンガー方程式です。
さて、特殊相対性理論ではm^2 c^4 = m_0^2 c^4 + (m v c)^2、すなわち(m c)^2 = (m_0 c)^2 + (m v)^2の関係になります。つまり、運動エネルギーm v^2/2に加えて質量のエネルギーm_0 c^2が存在することに対応して、普通の運動量m vに加えて、いわば質量成分の運動量とでもいうべきm_0 cが現れます。シュレーディンガー方程式は運動量m vを扱うだけなので、m_0 cも含んだ特殊相対性理論の要件を基本的に満たしません。結局、ニュートン力学と同様に、シュレーディンガー方程式は光速よりも明らかに小さい速度領域にのみ適用できるのです。ただ、その領域では十分正確です。
もっとも、特殊相対性理論と整合しないのはシュレーディンガー方程式や(それと同等である)ハイゼンベルクの行列力学までで、ディラック方程式以降の量子力学は、特殊相対性理論と整合した理論になってます。特に電磁波も量子化した電磁量子力学(QED)は、光子や電子の生成/消滅を扱うので、それらを(複素関数で表される存在確率ではなく)実体として扱い得ます。
なお、シュレーディンガー方程式が時間に対して1次で、その解が複素数になる理由は、< http://ne.phys.kyushu-u.ac.jp/seminar/MicroWorld2/2Part1/2P13/intro_Schroedinger_eq.htm >に簡潔に説明されています｡　シュレーディンガー方程式の解が複素数になるのは、物理的な必然でなく便宜的な要請であったのだと、私は考えます。
	
ちなみに、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なので、電磁波が特殊相対性理論を満たすのは当然です。
また、光子や電子の生成/消滅を問題にしない問題には、シュレーディンガー方程式で十分で、QEDを使う必要はありません。

s_hyama · Answer

量子論の重要な原理は、重ね合わせと波の干渉です。

ここでいう結晶とは物質ではなく状態をさす物理学上の用語であり、時間結晶とは時間によって物理法則が変化する（対称性が破れている）現象もしくは状態をいう。例えば「液体」や「固体」という物質そのものがあるわけではなく、「液体」や「固体」という状態があるのと同じである。量子力学でいう状態の重ね合わせは、時間対称性が破れている状態といえるため、量子論とも関係が深い。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%99%82%E9%96%93%E7%B5%90%E6%99%B6

それと、アインシュタインの相対論の原理は相容れません。

一般相対性理論成立の歴史上、等価原理 (equivalence principle) はスタートポイントとして考えられたが、数学的に重要であるのは、一般相対性原理（一般共変性の仮定と局所座標系における特殊相対性理論の成立仮定）である。
https://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

ところで、物理学の原理は据えて疑うのが、宗教の信じるための原理とは違うんです。

宇宙はそういうものだと認めてあきらめましょう,という感じだ.それに対する現在の物理学の態度は,「実際,実験結果が相対論の予言した通りになるのなら仕方がない.二つくらいなら信じてみようか.」という具合である.
https://eman-physics.net/relativity/einstein.html

finalbento · Answer

本題からは外れますが大事な事なので少しだけ。

「量子論(素粒子論)」と言う書き方は不適切です。これだと量子論と素粒子論が同等のものであるかのような印象を与えます。仮に量子論がウソっぱちであったとしても素粒子論は成り立つわけですから。

ogi_3 · Answer

マクロの世界では一般相対性理論でほとんどの説明が出来ます。
ついにブラックホールも実在が観測されましたよね。
ところがミクロの世界では、この相対性理論では説明できない事象が存在します。
この逆も同じです。素粒子力学では「標準理論」がやっと完成の域で解き明かされてきましたが、これでマクロの世界を説明づけることはできません。
もしかしたら、永遠に交わることは無いのかもしれませんが、
「物理学」である以上、一つの統合された理論でミクロもマクロも説明図けられる理論は存在するはずであるというのが、学者の見解です。

ご質問に回答するには、gooの紙面では到底おぼつきません。
YouTubeで「相対性理論」「量子力学」「弦理論」などの語句で
検索されると沢山の解説動画がヒットします。
そちらの方が先端科学で開設されていますので、ご覧ください。