古典物理学とは？定義・歴史・適用範囲と相対性理論・量子力学の違い
古典物理学の定義・歴史・適用範囲をわかりやすく解説し、相対性理論・量子力学との違いを図解で比較する入門ガイド。
古典物理学とは、20世紀以前に作られた物理学のことです。物理学のこの部分では、動き、光、重力、電気などを研究します。
現在の物理学のほとんどは、古典物理学の考え方よりも複雑な考え方を用いています。というのも、20世紀に入って、物理学者たちは自然を記述するための2つの優れた方法、相対性理論と量子力学を発見したからです。
古典物理学は、研究対象が非常に小さく（原子以下の大きさ）、非常に速く（光速以下の大きさ）動いている場合には機能しないことがわかりました。そこで、20世紀初頭に、アインシュタインが相対性理論を完成させ、ボーア、ハイゼンベルク、シュレーディンガーらが量子力学を生み出した。
定義と範囲
古典物理学は、主に以下の分野を含みます：
- 力学（ニュートンの運動法則、F = ma など）
- 電磁気学（マクスウェル方程式に基づく電気・磁気現象の記述）
- 光学（幾何光学や波動光学）
- 熱力学および統計力学（熱現象と多数粒子系の平均的振る舞い）
- 流体力学や弾性体力学などの連続体力学
これらは、物体や現象を連続的かつ決定論的に記述する枠組みであり、日常生活や工学問題の大部分を説明します。
歴史的な経緯（概略）
- 17世紀：ガリレオやニュートンによる古典力学の確立。重力や運動の法則が体系化された。
- 19世紀：マクスウェルによる電磁気学、熱力学の発展。光が波動であることの理論的基盤が整った。
- 19〜20世紀の境目：黒体放射や光電効果など古典理論で説明できない現象の出現が、量子論や相対論の誕生につながった。
適用範囲と限界
古典物理学は多くの場面で非常に有効です。たとえば、建築・機械設計、航海、天体の軌道計算（太陽系内の惑星運動など）、気象学や流体工学など、スケールが大きく相対論的効果や量子効果が無視できる場合に十分な精度を与えます。
一方で次のような場合には古典物理学は限界を迎えます：
- 極めて高速：物体の速度が光速に近づくと、ニュートン力学は誤りを生じ、特殊相対性理論が必要になる。
- 極めて小さなスケール：原子・電子など微視的スケールでは、量子力学による波動性や粒子性の記述が不可欠となる。
- 非常に強い重力場：ブラックホールや宇宙初期のような強重力場では一般相対性理論が必要。
- 統計的誤差や離散効果：粒子数が極端に少ない系では、古典的連続記述が適さない場合がある。
相対性理論・量子力学との違い（わかりやすく）
- 対象とする領域
- 古典物理学：日常的な大きさ・速度の現象を記述
- 相対性理論：光速近くの速度や強い重力場を扱う
- 量子力学：原子や素粒子など微視的な世界を扱う
- 記述の性質
- 古典：決定論的（初期条件が分かれば未来が決まる）
- 量子：確率論的（観測結果は確率分布でしか予測できない）
- 相対性：時空の構造を変更する（時間や距離の概念が速度や重力場で変わる）
- 対称性と法則の違い
- 古典力学はガリレイ変換に不変（低速領域）
- 特殊相対性理論はローレンツ変換に不変で、光速度不変の原理を含む
- 量子力学は波動関数や演算子の枠組みで記述され、古典変数が非可換の場合が多い
実用例と重要性
- 建築や土木、機械設計：静力学・動力学の原理（古典力学）に基づく設計が中心。
- 電子回路や電力設備：多くの常用周波数や回路設計では古典電磁気学で十分。
- 宇宙工学：人工衛星やロケットの軌道計算は主に古典力学だが、精密な誘導や高速飛行では相対論的補正が使われることもある。
- 熱工学・流体工学：エンジン設計や風洞実験などは古典的理論と経験則で高度に発展している。
まとめ（ポイント）
- 古典物理学は日常や工学で非常に有用で、長い歴史の中で多くの法則と技術を生んだ。
- しかし、極端に小さいスケール・極端に高速・極端に強い重力といった条件では、相対性理論や量子力学が必要となる。
- 現代物理学では、それらを適切に使い分けることで自然現象をより正確に理解・予測している。
沿革
古典物理学は、アイザック・ニュートンをはじめとする多くの科学者によって創られました。彼らは、リンゴの落下のような自然界のある現象が、毎回同じように起こることを発見しました。ニュートンは、そのような現象を予測する方程式を作りました。ニュートンはこの方程式を物理法則と呼びました。
ニュートンの物理法則は、実験や、仕事をする上で使うことで検証されてきました。時には、強力な風のようなものが実験の結果を少し狂わせ、結果が少し間違ったものになってしまうこともあります。しかし、このような余分な要因を取り除く努力をすると、実験結果はほとんどの場合、ニュートンの法則が予測するものに近づきます。
古典物理学の分野
- メカニズム（レバーで物を持ち上げたり、エンジンを切っても車が動いたりする仕組みなど）
- 熱力学（なぜ私たちはあるものを熱いと感じ、別のものを冷たいと感じるのか、なぜ水を温めるのには空気よりも時間がかかるのか、など）。)
- 電気（物と物をこすり合わせると静電気が発生する理由、電線の中を電子が移動する理由、稲妻が遠くまで飛ぶ理由など）
- 磁気（コンパスの針が北極と南極を指す理由、絶縁線を巻いた釘が直流を流すと磁石になる理由など）。
- 光学（雨粒を通過した太陽光が虹になるのはなぜか、プリズムが光を曲げて虹のようなスペクトルを作るのはなぜか、レンズが物を拡大するのはなぜか、レンズを使ったり使わなかったりして強力な望遠鏡を作るにはどうしたらよいか、など）。
質問と回答
Q:古典物理学とは何ですか?
A:古典物理学とは、20世紀以前に発展した物理学の一分野です。運動、光、重力、電気などを研究しています。
Q:古典物理学は20世紀にどのように変化したのですか?
A:20世紀になって、物理学者たちが相対性理論と量子力学という、より優れた自然現象の記述方法を発見したため、非常に小さいものや速く動くものを研究する場合、古典物理学はあまり役に立たなくなりました。
Q:20世紀には誰が新しい理論の開発に取り組んだのでしょうか?
A:アルバート・アインシュタインが相対性理論を、ニールス・ボーア、ウェルナー・ハイゼンベルク、エルヴィン・シュルِdingerといった人々が量子力学を生み出しました。
Q:古典物理学が通用しないのはどんなときか?
A:古典物理学が通用しないのは、非常に小さい物体（原子程度かそれ以下）を研究するときと、非常に速く動く物体（光速程度）を研究するときです。
Q:古典物理学で研究されているテーマにはどのようなものがありますか?
A:運動、光、重力、電気などが古典物理学で研究されている内容です。
Q:20世紀に古典物理学に取って代わった2つの理論は何ですか?
A:20世紀に古典物理学に取って代わった理論は、相対性理論と量子力学の2つです。
百科事典を検索する