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第1講 相対性理論前夜(ニュートン力学) [相対性理論講義]

(はじめに)
これから相対性理論について講義していきたいと思います。
複雑な数式は
このブログでは打てませんので
私が字で書いたものを写メで撮ったものを載せるという
荒業を使わせて頂きます。
数式を追うことは中々数学の素養がない場合にはつらいと思います。
その際は私の解釈を書いておきますので
その部分だけしっかり読んで頂けば内容は理解できると思います。
ただ、本質的に心から得心して頂くには、やはり数式で説明せざるを得ません。
私にはその辺の大きな葛藤がありますが、
諦めずに最後までついてきて頂ければ幸いです。
それでは、相対性理論が生まれる前夜のお話から、始めたいと思います。
パチパチパチパチ(拍手)

(古典物理学と現代物理学)

物理学は大まかに古典物理学と現代物理学に分けられます。
古典物理学…19世紀までの物理学
現代物理学…20世紀以降の物理学
                           です。
古典物理学は主に高校まで習う物理学で、
「力学」「電磁気学」「熱力学」「波動」に分けられます。
それに対して現代物理学はこの講義の主役「相対性理論」や「量子論」です。
これらを一つ一つ議論することはこの講義の主旨にはずれますので、相対性理論に関わりのある部分だけ、概略を講義します。

今回はまず「力学」についての大まかな話したいと思います。

(力学)
「力学」は17世紀ニュートンが創始したもので、彼の著書「プリンキピア」で大成をみた学問です。
     「プリンキピア」は現代の人にとっては非常に読みにくくなっているかもしれません。
     興味のあるかたはノーベル賞学者のチャンドラ・セカールが講義した本が市販されて
     いるのでお読み頂ければと思います。(ただ、びっくりするくらい本としては高いです。)
     ニュートンは力学の法則を三つにまとめました。
     ①慣性の法則
     ②運動方程式 F=ma
     ③作用反作用の法則
     また、ニュートンは運動を記述するために、微積分学を築きあげました。有名な万有引力も
     彼がケプラーの法則の逆問題を数学的に解き、発見したものです。
     (決して林檎の落下から発見したものではありません。)
     このニュートン力学は大成功を収めました。天体の動きを予想できたり、物体の運動を予想
     できたり、彼の理論で現実に起こることが次々と予想され、現実にそうなってきたのです。

     ここから、科学に決定論的な考え方が生まれます。
     自然は数学の言葉で書かれているのだと。
     わかりやすく言うと、自然の中には何かの法則があり、それを我々が見つけ出せない
     だけで、その法則さえ発見すれば、 全てのことは予想可能だ、というのが決定論です。 
     ここでは省略しますが、この決定論は当時の哲学等々に多大な影響を与えました。 
     また科学が大成功を収めた為に、他の学問もこぞって~科学という名前をつけだしました。
     人文科学、社会科学、人間科学など本来サイエンスとかけ離れた学問まで科学を
     つけました。それだけ「科学」という言葉には権威があったのです。
     しかし、この権威が裏目にでることになるのです。ニュートン力学以降決定論的思想に支配
     され、物理学は200年近く停滞を続けます。
     その固く重い扉は1900年に入ってから綺羅星のごとく現れる若き天才たちによって、
     開かれるのです。
     その中に本講義の主役アルバート・アインシュタインも登場します。
     
     この決定論的支配の余波は現在でさえも見られます。
     地震や天気予報が科学が進めば予知できるようになると思っている人はいませんか?
     それはどんなに科学が進んでも無理なのです。これは本講義の内容から大きく外れます
     のでまた他の機会に話をしたいと思います。
     また、評論や哲学によって未だにこの決定論を持って科学のことを非難する方もおりますが
     その方が非難している科学は、はるか昔のものなのです。
     科学がこのような決定論と決別して100年以上の歳月がたっている訳です。
     それでも、この決定論で科学を誤解されている方が未だにいるのは
     非常に残念なことです。
     裏を返せば現代にも爪痕を残すぐらいニュートンの仕事は偉大であった訳です。
     この辺りの誤解もこの講義の中で無くしていければと、思います。
     
     逆の誤解を持たれても困るので先に書いておきますが、
     相対性理論が正しくてニュートン力学が間違えている訳ではありません。
     理論には階層性があります。我々が生活している大きさや速さのレベルではニュートン
     力学が十分成り立っています。車も電車もニュートン力学で動いています。
     光速に近い速度や質量が非常に大きい場合(天体など) になると、
     ニュートン力学では説明のできないことがでてきて、それを説明できるのが相対性理論だと
     考えてください。因みに量子論は非常に小さな世界(原子レベル以下)で成り立ちます。
     ニュートン力学で記述できない、ミクロの世界を記述するのが量子論です。
     想像がつくと思いますが、量子論と相対性理論の間にはかなりの溝があります。
     その溝を埋めようと様々な理論が考えられていますが、まだ現在のところうまく
     いっていません。これに関して私自身もアイデアをいくつか持っていますが、
     まだ確信を得るには至っておりません。
     先ほど理論の階層性について書きましたので、
     別に非常に大きなマクロで成り立つ相対性理論は相対性理論
     ミクロで成り立つ量子論は量子論で
     統一などせず、別々に使っていればいいのではないかと思われる
     賢明な読者もおられるかもしれませんが、事態はそんなに単純ではなかったのです。
     それは何かといえば、ビッグバンです。
     ビッグバンは微小な点(量子論的)に莫大な質量(相対性理論的)
     を持って起こるわけです。
     それを記述するには、量子論と相対性理論の矛盾をなんとか
     しなければなりません。
     宇宙がビッグバンで始まったとしたら、一体どのようにな理論で
     描かれるのでしょうか?
     ニュートン力学や相対性理論、量子論をも包括する理論が
     存在するのでしょうか?
     興味のある方は是非チャレンジして頂きたい
     大きな難問です。
     
     今日の講義はこれでおしまいです。[わーい(嬉しい顔)][手(パー)]
     次回は相対性理論前夜(ガリレオの相対性原理)を中心にお話したいと思います
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コメント 2

ayao

今の所、内容がおもしろいです。早く続きが読みたいです[わーい(嬉しい顔)]
by ayao (2009-02-14 16:56) 

hts

狭義の古典物理学だとこの定義で正しいんだけど広義の古典物理学の場合は決定論を第一公理とする物理学だったはずでその場合は相対性理論は最後の古典物理学になるはず。

実は現在は広義の定義の方が使われがち。
by hts (2014-07-21 23:39) 

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