なぜ重力は存在するのかーー世界の「解像度」を上げる物理学超入門

書籍情報

【マガジンハウス新書】

著　者：: 野村泰紀
出版社：: マガジンハウス
出版年：: 2024年7月

近現代の物理学史をコンパクトにまとめた「超入門」書

ガリレオから説き起こし、ニュートン力学、電磁気学、相対性理論、量子力学、素粒子物理学という流れで近現代の物理学史を概観し、最後に「補講」として統計力学を取り上げている。

これらの一つ一つの話題には深入りせず、ごく基本的な解説にとどめて約250ページにまとめている。副題に掲げられているとおり、「物理学超入門」というイメージだろう。

書名には「重力」の文字があるが、ニュートンの「万有引力の法則」や、アインシュタインの重力理論である「一般相対性理論」は話題の一つであって、それらにフォーカスしているわけではない。「量子重力理論」については触れる程度。本書は、近現代の物理学史をコンパクトにまとめた「超入門」書。

ガリレオからアインシュタインの相対性理論までの主な内容

まず、ガリレオ、ケプラー、ニュートンの業績などをざっと辿り、「運動の3法則」と「万有引力の法則」を説明する。そのあとで、ガリレオの「相対性原理」を解説。

つぎに、「電磁気力の歴史」を簡単に振り返る。ギルバートから始めて、マクスウェルまで。

電磁気学が確立して、新たな問題が生じた。著者は、こう記している。「……マクスウェル方程式を解くと、「何に対する速度なのか」という情報を入れなくても、電磁波の速度が秒速約30万キロメートルと算出できてしまうのです！」と。これは、ガリレオの相対性原理に基づくニュートン力学と矛盾していた。

この矛盾は、アインシュタインの「特殊相対性理論」により解決する。相対性理論には、「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」があり、この違いも説明される。また、アインシュタインの他の業績も紹介している。

量子力学から、素粒子物理学、超弦理論までの主な内容

光は「波」か「粒子」かの論争、プランクの「エネルギー量子仮説」などを説明し、原子や電子に関する歴史を織り込み、「ボーアの原子模型」を解説。

ボーアの理論は、ラザフォードの原子模型の欠点を解消するものだったが、「根拠がなかった」という。その根拠となりそうな理論を提唱したのが、ド・ブロイだった。「物質波（ド・ブロイ波）」とはどのようなものかを見ていく。

この「物質波」の概念に強い興味を抱いたシュレーディンガーは、「物質波の伝わり方を計算する方程式」（シュレーディンガー方程式）を発表した。

「シュレーディンガー方程式には、「波動関数」と呼ばれる関数が含まれて」いる。ボルンは、「波動関数の確率解釈」を提唱した。著者は、こう記している。「波動関数の確率解釈とは、「電子の波は、神様が振るサイコロだ」というものです」と。ボルンに宛てた手紙に、アインシュタインはこう書いたそうだ。「神は、サイコロ遊びはしない」。

シュレーディンガー方程式と確率解釈について述べたあと、「シュレーディンガーとはまったく別のルートで、量子力学の完成に向かっていた」ハイゼンベルクにまつわる話題を紹介する。

ほかに、「コペンハーゲン解釈」や「多世界解釈」、「量子もつれ」などについて解説している。

このあと章をあらため、量子力学と特殊相対性理論を統合した「場の量子論」についての説明からはじめて、「場の量子論」の先駆者で「反粒子」を予言したディラックや、「中間子論」を提唱した湯川秀樹の業績などを見ていく。さらに、素粒子物理学の基礎的なことを解説。

そして、初期宇宙や暗黒エネルギー・暗黒物質の話題を紹介し、「量子力学と重力の折り合いの悪さ」について述べてから、量子力学と重力を統合する理論として期待されている「超弦理論（超ひも理論）」をごく簡単に説明する。

「補講」(約15ページ)では、熱力学と統計力学の話をして、「時間」について考察している。