現代物理学

現代物理学は、物理学の中でニュートン以後の概念を扱う分野です。古典物理学では説明できなかったさまざまな現象を新たに理解するための枠組みを提供します。これには、相対性理論と量子力学が含まれます。

始まり

現代物理学は20世紀初頭に始まり、科学者たちは非常に小さな物体（例えば原子）や非常に高速で移動する物体（例えば光）を実験し始めました。アイザック・ニュートンらが開発した古典物理学は、これらの現象を正確に説明することができませんでした。そのため、これらの欠点を克服するために新しい理論が必要でした。

相対性理論

アルバート・アインシュタインによって開発された相対性理論は、空間、時間、運動に対する私たちの理解を変えました。相対論には二つの部分があります：特殊相対性理論と一般相対性理論です。

特殊相対性理論

特殊相対性理論は主に光速に近い速度で移動する物体を扱います。その最も有名な結論は、時間は絶対的ではないということです。これにより、観測者の相対速度に応じて時間が異なる速度で進む可能性があることを意味します。

例えば、光速に近い速度で宇宙船に乗り、地球に戻ってきたとすると、あなたには地球の人々よりも短い時間が経過していたことに気付くでしょう。これは時間の遅れと呼ばれる概念によるものです。

        時間遅延の公式: t' = t / √(1 - v²/c²)

ここで：

t' は移動する観測者が経験する時間です。
t は地球時間です。
v は宇宙船の速度です。
c は光の速度です。

一般相対性理論

一般相対性理論は特殊相対性理論の拡張であり、重力を質量による時空の湾曲として含みます。

平らなゴムシートが空間を表すとします。このシートに重いボールを置くと、クレーターができるでしょう。小さなボールを重いボールの近くに置くと、それは転がり込むでしょう。これは一般相対性理論における重力の働き方を表現するシンプルなアナロジーです。

惑星が太陽を周回する方法はこの概念を使って説明できます。太陽は時空にくぼみを作り、そのために惑星は太陽の周りを回るのです。

一般相対性理論は、ブラックホールや重力波といった現象を説明するのにも責任があります。これらは、光すら逃れられないほどの非常に強い重力を持つ領域であり、巨大な物体が空間を移動することにより時空に生じる波紋です。

量子力学

量子力学は、電子や光子のような非常に小さな粒子を取り扱う現代物理学のもう一つの基礎です。物質とエネルギーの原子および亜原子レベルでの挙動を教えてくれます。

不確定性原理

量子力学の興味深い特徴の一つは、ハイゼンベルクの不確定性原理です。この原理は、粒子の位置と運動量を同時に正確に知ることは不可能であると述べています。

部屋で素早く動く小さな虫を捕まえようとすることを考えてください。どの時点で虫がいるか（位置）または虫がどのように速く、どこに行くか（速度）を知ろうとすることはできますが、両方を同時に知ることはできません。

        不確定性原理の公式: Δx * Δp ≥ ħ / 2

ここで：

Δx は位置の不確かさです。
Δp は運動量の不確かさです。
ħ は換算プランク定数です (1.0545718 x 10⁻³⁴ Js)。

波動-粒子二重性

量子力学におけるもう一つの重要な概念は、波動-粒子二重性で、粒子（例えば電子）は粒子としても波としても振る舞うというものです。

例えば、水の波が二つの並んだ穴を通る様子を想像してみてください。その波は水面に波紋を作ります。同様の実験を電子で行うと、電子も波のパターンを作り、その波動的な性質を示します。

粒子のこの二重性は、量子力学が確定ではなく確率的と呼ばれる要因の一つであり、粒子の位置についての確かさではなく、可能性を考慮します。