Frontiers of Discovery: Modern Physics
現代物理学は、相対性理論と量子力学といった20世紀および21世紀の物理学の主要な概念を紹介し、宇宙の極端なスケールにおける私たちの理解を革命的に変革します。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、重力を再定義し、量子力学は原子レベルでの粒子の確率的な性質を探求し、ブラックホール、粒子挙動、現実の本質に関する洞察を提供します。
現代物理学の概要
現代物理学は、その画期的な理論とそれらの影響によって定義されます。以下に分解を示します。
- 特殊相対性理論: アインシュタインの理論で、高速を扱っており、時間の遅れと長さの収縮を示します。
- 一般相対性理論: アインシュタインの重力理論で、質量によって時空が曲がっていると記述します。
- 量子力学: 原子および亜原子スケールにおける枠組みで、波動と粒子の二重性および不確定性に着目します。
- 応用と現象: 現代理論から導き出される概念、例えば光電効果、量子トンネル効果、ブラックホール。
現代物理学の例
特殊相対性理論の例
- 光速（3×10⁸ m/s）に近い速度で移動する宇宙船は、地球と比較して時間の遅れを経験し、よりゆっくりと年を取ります。
- 0.9c（光速の90%）の速度で移動する1mの棒は、0.44mに収縮します（長さの収縮）。
- E=mc²は、1kgの質量が核反応で9×10¹⁶ Jのエネルギーに変換されることを示します。
一般相対性理論の例
- 太陽の近くを光が曲がる現象は、1919年の太陽食中に観測され、時空の曲がりを証明します。
- GPS衛星は、地球からの重力が弱いほど時間の遅れを補正します。
- ブラックホールは、巨大な星が崩壊したときに形成され、時空を無限に歪めます。
量子力学の例
- 電子は、シュレーディンぎみという確率雲の中で存在し、固定軌道ではありません。
- 光子は、干渉パターンで波として、検出器で粒子として、波動と粒子の二重性を示します。
- ハイゼンベルクの不確定性原理は、電子の場所と運動量を正確に知ることができないことを示します。
応用と現象の例
- 光電効果：光が金属から電子を放出し、太陽電池の基礎となります。
- 量子トンネル効果：粒子が障壁を通過することを可能にし、走査型トンネル顕微鏡を可能にします。
- 低温（0 Kに近い）での超伝導は、量子効果の結果であり、MRIマシンで使用されます。