量子物理学の歴史的展開における「場の量子論」の理論的意義

「光」に関する量子物理学的理論の代表例は、「光のエネルギーEがプランク定数hに振動数νをかけたものになる」というアインシュタインの光量子論(1905)である。同理論において、光は波長λ・振動数νといった「波動性」とともに、そのエネルギー量に関してE=hνという「粒子性」を持つこととされた。
　これに対して、「物質」に関する量子物理学的理論の代表例は、「物質のエネルギーはエネルギー量子ε＝ｈνの整数倍に限定される」というプランクのエネルギー量子論(1900)、ボーアの量子論（原子構造論、1913）、ルイ・ド・ブロイの物質波理論（物質波の波長λはプランク定数hを粒子の運動量Pで割ったものになる、1924）、ハイゼンベルクの行列力学(1925)、シュレディンガーの波動力学(1926)などである。
　このように、20世紀初頭から1920年代半ばまで、「光」に関する量子物理学的理論と「物質」に関する量子物理学的理論は、20世紀初頭から1920年代半ばまでは基本的には異なる道筋の上に展開されていた。すなわち、「光」（光波）と「物質」は、本質的に異なる2つの物理的存在として、それぞれ異なる理論的体系において取り扱われていた。

　「光」と「物質」に関する統一理論的取り扱いは、ルイ・ド・ブロイの物質波理論における「光波も物質波もともにλ＝h/Pを満たす」という先駆的な理論的想定をさらに推し進めた「場の量子論」によって実現された。「場の量子論」(quantum field theory)という理論の第一の意義は、「光」と「物質」を同一の理論的枠組みのもとで統一的に取り扱うことを可能にしたことにある。
　「光」と「物質」に関する統一理論的取り扱いは、「場の量子論」では下記のような二つのステップからなる。

「量子場」は、連続性・非局所性を特徴とする物理的存在であり、ニュートン力学的対象としての「波動」が持つ特徴的性格としての波動性を持つ。また「量子場」を「量子化」した結果として、最終的には観測結果における非連続性・局所性、すなわち、ニュートン力学的対象としての「物質」が持つ特徴的性格としての粒子性が得られる。
　こうした意味において、「場の量子論」は、「波動性」と「粒子性」という二つの対立的理論要素を統一的に取り扱う量子論的理論体系である。

ニュートン力学的体系においては、重力が「遠隔作用力」として一般的には理解されている。これに対して一般相対性理論では、重力は「重力場」として捉えられている。
電磁場および物質場が量子化できるのであれば、重力場も量子化可能と考えるのが当然の帰結である。
　しかしながら重力場の量子化、すなわち、重力場の量子論は、「重力子」（重力の量子）に関する実験的検証がないこともあり、現在のところその正当性が広く認知されているわけではない。
　とはいえ、そうした実験的検証が将来的になされれば、下記の図で示したように、光、物質、重力などといった基本的物理的存在すべてが「量子場」として同種のものとなり、「場の量子論」という理論的形式のもとに統一理論的に取り扱われることになる。