対談形式(静電気力、重力、なぜ離れたところに力が作用する?)

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そういえば、離れたところに力が作用するって不思議ですよね。

静電気力(クーロン力)とか、重力とか。



そうですね。

自然な疑問ですが、奥が深い。



この辺りのことって、科学的に解明されているのでしょうか?



どこまでを 「 解明 」 と呼ぶかに依存します。

「 完全にすべての問題が解き明かされたか?」 という意味では否定します。

つまり、現在(2017年)の科学では解明されていません。

そして、10年後、20年後、30年後に解明されることもないでしょう。

ただし、昔に比べれば進展はしています。

例えば 「 遠隔作用 」 から 「 近接作用 」 という認識に進展しました。



「 遠隔作用 」 と 「 近接作用 」 ?



「 遠隔作用 」 は空間を越えて直接的に力が作用するという認識です。

「 近接作用 」 は空間の変化が力を伝えるという認識です。

この 「 空間の変化 」 を 『 場 』 という。



えーと・・・?

結局、遠隔作用と近接作用は何が異なるのでしょう?



例えば、ここに電荷 Q の物体を置きます。

このとき、この電荷の周囲の環境はどうなっているでしょう?

つまり、電荷 Q を置く前後で何か変化するでしょうか?



ん・・・。

変化は・・・ありますよね。



ふむ、どのような変化があるのでしょう?

少なくとも、見た目には区別できないはずです。



たしか・・・『 電場 』 というものがありますよね。

電磁気学の教科書に書いてありました。



なるほど。

しかし、それが存在することをどのように確認するのでしょう?



それは・・・うーん。

あ、そうだ。

その電荷 Q から少し離れたところに別の電荷 q を置けば確認できます。

実際、電荷 q は力を受けて移動するはずです。

これは電場が存在していることを示しています。



いや、それは電場の存在を示したことにはなりませんよ。



・・・うそん。

何で?



その実験で分かることは、

「 電荷 Q が電荷 q に力を及ぼした 」

・・・という情報だけです。

それだけでは電場が存在したことにはなりません。

つまり、電荷 Q が q に対して直接的に力を及ぼした可能性があります。

つまり、遠隔作用であることを否定できていません。



・・・たしかに。

あ、それなら、他の場所に色々な電荷 q、q、q を置けばよいのでは?



その実験で分かることは、

「 電荷 Q が電荷 q に力を及ぼした 」

「 電荷 Q が電荷 q に力を及ぼした 」

「 電荷 Q が電荷 q に力を及ぼした 」

・・・という情報だけです。

それだけでは電場が存在したことにはなりません。



・・・たしかに。

・・・。

・・・あれ?

うそ、分からなくなってきた・・・。

もしかして、電場は存在しない・・・?

これは現象を説明するために用意された仮想的な概念だったのでしょうか・・・?



「 仮想的な概念 」 という表現が正しいか否かは微妙なところですね。

「 電場が存在する 」 という言い方はします。

現象を説明するために電場を必要とする場面があるのです。

ただし、物質的な意味で存在するという意味ではありません。



現象を説明するために電場を必要とする場面がある?

それはどのような現象ですか?



先の議論では電荷が静止している場合を考えていましたね。

たしかに、電荷が静止している場合は遠隔作用と近接作用を区別できません。

つまり、電荷が静止している場合、遠隔作用と近接作用は単なる解釈の違いに留まってしまう。

しかし、電荷が動く場合には意味が異なります。

むろん、電荷 Q が動くと電荷 q に作用する力は変化します。

ただし、この変化は電荷 Q の移動と同時ではありません。

実際には遅延を伴います。

これを説明するためには 「 近接作用 」 が自然です。

既に述べたように 「 近接作用 」 は空間の変化が力を伝えるという認識です。

言い換えると、力が空間を伝わるために時間がかかる。



空間が瞬間的に変化するということではないのですか?



そういう意味ではありません。

これを説明するために分かりやすい比喩があります。

まず、ゴムシートの上にガラス玉を載せます。

ここに大きなボールを載せるとゴムシートが凹み、周囲のガラス玉が転がります。

これが 「 重力 」 や 「 静電引力 」 です。



なるほど。

ゴムシートが凹み、その影響が周囲のガラス玉に伝わるまでに時間がかかりますね。



そうです。

「 遠隔作用 」 はニュートンやクーロンの時代です。

「 近接作用 」 が登場したのは、ファラデーやマクスウェルの時代です。

マクスウェルは 「 電磁場 」 の基礎方程式を研究することで 「 電磁波 」 の存在を予言しました。

この基礎方程式を 『 マクスウェルの方程式 』 と言います。



ところで、離れた物体の間に力が作用することについて、他に分かっていることはありますか?



ありますよ。

素粒子論では電子と電子は 『 光子 』 という粒子を介して相互作用すると説明されます。

また、任意の物質は 『 グラビトン 』 という粒子を介して相互作用します。