ニュートン力学と量子力学を隔てるものとは何

詳しい人にお訊きします。

教えて下さい。
素粒子の世界ではニュートン力学は成立せず、量子力学が必要になるそーですが、ニュートン力学と量子力学を隔てるものとはいったい何ですか。
それは原子内部のミクロな空間は一般の宇宙空間とは物理的性質が異なるからですか。

No.6 回答者： doc_somday 回答日時： 2017/07/31 23:26

もの凄く簡単に言うと、ニュートン力学ではエネルギーがゼロであり得るのに、量子論ではエネルギーにゼロはあり得ず「基底状態」の下に「仮想的なエネルギーレベル」がある。

No.5 回答者： puyo3155 回答日時： 2017/07/31 23:08

まず、ニュートン力学を始め、古典論と言われるものは、必要に足る情報を与えられれば、物質の動きや挙動は、すべて理論で計算できる・・・・という前提にたっています。

ニュートンが力と運動の謎を解明したもの、マクスエルが電磁波の挙動を方程式として表したのも同じです。アインシュタインでさえ、思考を飛躍させ、時空の考え方や重力の仕組みを根本的に変える理論を生み出しましたが、根底となる発想は同じでした。ある程度の大きさをもった物質や、多くの原子や電子が合わさった現象をあつかうので、古典論は、マクロに対する理論と言えますね。

一方、その発想で、電子の動きや原子の仕組みを解き明かそうとしてみると、古典論のマクロ理論が、当てはらまないことがわかりました。

・　観測しないと、どこにいるか存在さえわかない。
・　スリットを抜けると干渉する。それが、一つぶつづ放射しても、干渉する。
・　電子は粒子であり、波である。
・　波である電磁波も、実は粒子である。
・　素粒子の位置と運動量は、同時にきちんと決められない。

などです。これらは、現象の本の一部であり、その他にも、およそ我々がマクロな現象に抱く感覚からは理解できない現象が山ほどあるのです。

１００年の時間を経て、プランク、アインシュタイン、ハイゼンベルク、ボーア、ドブロイ、パウリ、ディラック・・・・・数え切れない英知によって、これらミクロ現象は量子論として体系化され、主役である素粒子は標準モデルとして、力を伝えるボソンと、物質のものになるフェルミオンにまとめられました。これらは端折って言えば、粒子というよりは場が励起したエネルギーの塊のようなものです。相互作用をしない場合、電子線のように粒として観測されることもありますが、大抵はいわゆるマクロの物質を粉々にした小さな粒とは違って、存在と非存在の合間を行き来した、非常にわかりにくい存在です。波であり物質でもある、もっと言えば全て波だと考える方がスッキリするかもしれません。観測すると、波動関数が収束・・・、観測しないと、空間に広がっていてその現象は確率的にしか記述できない・・・。不思議ですが事実なのです。

では、マクロの現象とミクロの現象はどうやってつながっているのかと言えば、

素粒子のうち、
・　クオークがグルーオンを通じて、強い力として中性子や陽子を作る。
・　中性子や陽子は、クオークやグルーオン（中間子）を通じて核子を作る。
・　そのまわりを、電子が、光子を通じて結びつき、原子が出来る。

という、主に、クオーク、グルーオン、光子、電子というメジャーな存在が、原子として安定して、地球に大量に存在していることがミソです。ミクロでは量子力学的現象が起こっているけど、マクロでは安定しており、その安定した原子が莫大に集まってできるものが、いわゆる我々が認識するところの物質になります。原子核反応など特定の場合を除き、普通の生活する中ではほぼ安定しているため、ミクロの現象に目をつぶって、ニュートン力学のような、力と質量と加速度の関係だけに注目したとしても、まったく支障がありません。また、化学反応をして原子の組み換えが起こっても、原子の構造は安定しているので、質量（ほぼ）保存の法則が成り立つとしても、特に支障がないのです。

ちなみに、マクロ現象の主役たる質量は、グルーオンによって核子にとじこめられた、強い力の結合エネルギーです。E=mｃ２、アインシュタインが言ったまさにエネルギーが質量とは、我々の存在そのもののことなのですね。

なお、場の量子論は、特殊相対性理論とは融合しているし、光子の波動的ふるまいは電磁気学そのもので、これまた特殊相対性理論の要請を満たしています。古典論と量子論がまったく別のものとは言えません。ただ、ニュートンの万有引力を上書きした一般相対性理論によって、マクロな重力現象は解明されているものの、素粒子の標準モデルはそもそも重力を無視していて、ミクロにおける重力の仕組みはまだわかっていません。４つの力とすべての素粒子を統一し、この世界の根源を解明する理論は、超弦理論を始めとした最先端の物理学に委ねられいます。

No.4 回答者： lupan344 回答日時： 2017/07/31 21:54

ニュートン力学に限らず、電磁気学、相対性理論を含む古典力学が、量子力学とは相性が悪いです。

理由としては、原子内部は距離が短く、古典力学の力よりも、強い相互作用（核力）などの力の影響が大きくなる事が考えられます。（古典力学では、電磁相互作用、重力相互作用だけが扱われ、強い相互作用（強い核力）、弱い相互作用（弱い核力）は取り扱われません）
また、古典力学では、力は連続的に考えられますが、量子力学では、量子化されるので、とびとびの値を持ちます。
古典力学を適用すると、原子内部に陽子と電子が離れて存在する理由がわかりません。（一応、古典力学でも、相対性理論を適用して、静止質量の減少分がポテンシャルエネルギーに相当すると考えると、電子が安定軌道を持つ事が示されますが、その値は量子力学とは異なっています）
量子力学が扱う範囲の量子は、波の性質を持つので、その運動量と位置は同時に確定できません。（これも古典力学と相性が悪い点です）
何故そうなるのかは、そうなっている（観測結果から得られる結果）としか言いようが無いです。
古典力学の扱う内容と物理的な性質が異なっているのは確かです。

No.3 回答者： o0oン 回答日時： 2017/07/31 21:11

つまり引力が、時空の歪み、最近の量子力学では、光子のやり取りです。

No.2 回答者： o0oン 回答日時： 2017/07/31 21:08

ニュートン力学は、素粒子力学では、光子のやり取りと理解する。

No.1 回答者： mapascal 回答日時： 2017/07/31 19:07

ニュートンの時代には、素粒子は認識さえされていなかった。

なので、隔てているとかの話ではなく、全く別次元の話。

この回答へのお礼

ニュートンの時代ではなく現代の話をしています。

お礼日時：2017/07/31 19:42