20世紀から21世紀にかけての物理学は、古典物理学を超えて新たな理論体系を築き、現代の科学技術や産業に深い影響を与えました。この期間においては、量子力学と相対性理論の確立から始まり、標準模型の完成や宇宙論の進展、さらに素粒子物理学と量子情報科学の発展が見られます。また、物理学と他分野の融合が進み、人工知能やナノテクノロジー、エネルギー開発など幅広い分野に物理学が応用されています。
1. 量子力学と相対性理論の登場（20世紀前半）
20世紀初頭に、アルベルト・アインシュタインが特殊相対性理論（1905年）と一般相対性理論（1915年）を提唱し、時空と重力の新たな理解が生まれました。特殊相対性理論は、光速が不変であることや、時間と空間が相対的であることを示し、エネルギーと質量の等価性を表す有名な式「E=mc^2」を導きました。一般相対性理論はさらに、重力を空間の歪みとして捉え、宇宙の大規模構造を理解する理論として重要視されました。
一方、量子力学は、マックス・プランク、ニールス・ボーア、ヴェルナー・ハイゼンベルク、エルヴィン・シュレーディンガーらによって発展し、原子や素粒子の振る舞いを記述する理論として確立されました。量子力学は、確率や不確定性原理（ハイゼンベルクの不確定性原理）といった概念を導入し、従来の決定論的な古典物理学からの大きな転換点となりました。この理論により、半導体やレーザーといった技術が生まれ、現代のエレクトロニクスや情報技術に大きく貢献しました。
2. 素粒子物理学と標準模型（20世紀後半）
20世紀後半には、素粒子物理学が発展し、自然界の基本的な力と素粒子を説明する標準模型が確立されました。標準模型は、電磁力、弱い力、強い力の統一的な理論であり、素粒子の構造と相互作用を記述します。クォークやレプトンといった素粒子の存在が実験的に確認され、またヒッグス粒子が2012年に発見されることで、標準模型の信頼性が強化されました。
標準模型は素粒子の多くの性質を説明するのに成功しましたが、重力を含む統一理論ではありません。これにより、統一場理論や超対称性理論、さらには超弦理論といった、より包括的な理論が模索されるようになりました。
3. 宇宙論とダークマター・ダークエネルギー（21世紀）
宇宙の大規模な構造や進化に関する研究も20世紀後半から進展し、ビッグバン宇宙論が標準的な理論として受け入れられるようになりました。ビッグバン理論は、宇宙が膨張しているというエドウィン・ハッブルの観測結果や、宇宙背景放射の発見によって支持されています。
しかし、宇宙の観測からは、標準模型や一般相対性理論だけでは説明できない現象が明らかになりました。例えば、銀河の運動や宇宙の加速膨張を説明するために、ダークマターとダークエネルギーの存在が提唱されました。ダークマターは物質の約85%を占めると考えられていますが、正体は未だに不明です。ダークエネルギーは、宇宙の加速膨張を引き起こすエネルギーとされ、宇宙全体のエネルギーの約70%を占めると考えられています。
4. 量子情報科学と新しい応用技術（21世紀）
21世紀には、量子情報科学の発展が進みました。量子コンピュータや量子暗号など、量子力学の原理を応用した新しい技術が登場しつつあります。量子コンピュータは、従来のコンピュータでは解けない複雑な問題を効率的に解く可能性を秘めており、医薬品開発や気候モデルの解析、暗号解読など多岐にわたる分野での応用が期待されています。
また、ナノテクノロジーやバイオテクノロジー、エネルギー開発においても物理学が重要な役割を果たしています。例えば、太陽光発電や核融合技術の進展、さらには気候変動への対応にも物理学の知見が活用されています。
20世紀から21世紀にかけて、物理学は量子力学と相対性理論の確立から始まり、標準模型の完成や宇宙論、量子情報科学などの多様な分野へと発展しました。これらの理論と技術は、現代社会の科学技術や産業の基盤となり、物理学は今もなお新たな発見と応用に向けた挑戦を続けています。
