対談形式(電気力線って存在するの?光って何?)

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う〜みゅ、電磁気学は難しいなぁ・・・。



まず、ベクトル場を理解しないといけませんからね。

空間の各点にベクトルが配置されているということを理解しなければならない。

これは、イメージだけでなくて、式で理解しないといけない。

とくに 「 3変数3次元ベクトル値関数 」 を 「 ベクトル場 」 と見なせることを理解する必要がある。

ただし、一方で、電磁気学の現象はすべてマクスウェル方程式(とローレンツ力)で記述されます。

この意味で、電磁気学は簡単であると言えます。



マクスウェルの方程式とは?



電磁気学の基礎方程式です。

マクスウェル方程式とローレンツ力を合わせると、電磁気学の現象をすべて説明できる。

ただし、マクスウェル方程式は全部で4つの式から成ります。

つまり、全部で式の数は5つですね。



本をいくつか見てみたのですが・・・。

マクスウェルの方程式は、本によって書き方が異なるような・・・?



マクスウェルの方程式には 『 積分形 』 と 『 微分形 』 がありますからね。

さらに、積分形と微分形でも、それぞれ表記が異なる場合があります。

積分形は 『 線積分 』 と 『 面積分 』 で表記されるのですが、その表記が色々ある。

微分形は 『 発散 』 と 『 回転 』 で表記されるのですが、その表記が2通りある。



うええ・・・。

どれか1つに統一できないものなのでしょうか?



私も最初はそう思いましたけれど、これは慣れですね。

意味を理解すれば、表記の違いで混乱することはありません。

加えて、マクスウェル方程式は直観的にも分かり易い。

これらの式は、クーロンの法則、アンペールの法則、ファラデーの法則の一般化だからです。

つまり、意味を理解すると、マクスウェル方程式からクーロンの法則などを導ける。

また、この導出は計算などは必要ないので頭の中ですぐに理解できます。



このマクスウェル方程式を解けば・・・電場や磁場の様子が分かるということですよね?

けど、マクスウェル方程式を解くというのはどのようにするのでしょう?

何というか・・・この式を見ても何をどうすればよいのか見当もつかないのですが。



それは実際に問題を解いてみれば分かりますよ。

実際の手順としては、考えている物理的状況に適切な境界条件を課します。

例えば 「 無限遠方で電場が 0 になる 」 という境界条件は基本的ですね。



あー・・・、そういえば、量子力学にも同様の話がありましたね。



そうですね。

量子力学では無限井戸型ポテンシャルなどを考えます。

これは境界でポテンシャルが無限になるという条件ですね。

ちなみに、ニュートン力学では 「 初期条件 」 を設定して運動方程式を解きますね。

このように、基本方程式を解く場合は 「 境界条件 」 や 「 初期条件 」 を設定します。



さきほど、マクスウェル方程式は「クーロンの法則」を含んでいるとありましたが・・・。

クーロンの法則って、あれですよね?

電荷から電気力線がビーッと出るやつ。



「 ビーッ 」 って・・・。

もしかして、電荷から電気力線という線のようなものが出ると思ってます?



・・・え。

違うんですか?



違いますよ。

電気力線は電場を可視化して分かり易く表示しているだけです。



おおう・・・勘違いしていました。

・・・。

・・・あれ?

でも、磁力線は 「 ビーッ 」 って出てますよね?



何ですか、その 「 ビーッ 」 って表現・・・。

ええと、磁力線も電気力線と同じですよ。

つまり、何かが線のように出ているわけではありません。



けど、磁石のまわりに砂鉄を散布すると、磁力線の渦のようなものが見えてきますよね?

あれは磁力 「 線 」 が出ている証拠なのでは?



あー・・・、なるほど。

しかし、砂鉄が磁石によって動くのは磁場中で一時的に磁石になるからです。

その結果、ある程度のまとまりをつくって列になる。

なので、磁力線という線が間隔をあけて並んで発生しているということではありません。



そっか・・・。

でも、そうだとすると、あれは何が出ているのでしょう?



そもそも 「 出ている 」 という表現があまり適切ではないと思います。

電荷や磁荷があると、周囲の空間の性質が変化します。

このような空間の性質の変化を 『 場 』 と言います。

電荷からは電場が生じ、磁荷からは磁場が生じます。



「 出る 」 ではなくて 「 生じる 」 という言い方をするのですね。

それにしても、空間の性質が変化する・・・。

音のように空気が振動するとということではないのですか?



昔はそういう見方をしていました。

つまり、空間には 『 エーテル 』 という物質が満ちていると考えられていた。

そして、このエーテルを介して光が伝播するのだと考えられていた。



あ、エーテルという言葉はゲームやマンガによく出てきますよね。



言うと思ったよ。

まぁ、そうですけど。

しかし、現在ではエーテルという考え方は否定されています。

何かが空間を満たしているのではなくて、空間の性質の変化と考えます。



ふーん・・・電場と磁場は空間の変化。

つまり、何か実体があるわけではない・・・。



いや、むしろ、「 場が唯一の物理的実体である 」 という見方が強い。



えええ・・・どういうこと?



この言葉を理解するには 「 質量とエネルギーが等価である 」 ということを知る必要がある。

これは相対性理論の有名な式 E=mc で表されています。

実際、左辺は 「 エネルギー E 」 であり、右辺は 「 質量 m 」 ですね。

( むろん、c は光速を意味しますが、これは単なる定数だと思ってよい )

つまり、質量はエネルギーに変換されます。

また、定数 c の値は非常に大きい。

ゆえに、この式は小さな質量が大きなエネルギーに変換されることを意味します。



質量がエネルギーに変換される?

そんなことってあります???



有名な話ですよ。

質量の一部がエネルギーに変換される反応として 『 核分裂 』 は有名ですね。

これは 『 原子爆弾 』 が大きな威力をもつ理由です。

( ちなみに、原子爆弾の原理は 『 核分裂 』 であり、水素爆弾の原理は 『 核融合 』 です )



そっか・・・質量とエネルギーは等価なのか・・・。

う〜ん、物理的な実体って何なのか分からなくなってきました・・・。



既に述べたように、エネルギーも質量も場の性質が変化したものです。

ゆえに、場が唯一の物理的実体であるとする見方が強い。



なるほど・・・。

電磁場は物質として存在しているわけではないけれど、電磁場は実体として存在する。



そうですね。

日常的な感覚だと 「 物質として存在する 」=「 実体がある 」 と考える人が多い。

なので、「 場が唯一の物理的な実体である 」 と表現すると、入門者は混乱する。



あ、そういえば、電磁波は?



電磁波は電場と磁場から成る波ですよ。

電磁波の波長の違いによって 「 X線、可視光線、赤外線、電波 」 と呼び分けます。

世間一般ではこれらの波を全く別物として誤解している人は多いかもしれませんね。



あ、光って電磁波なのですか。

・・・ん?

それだと光は物質ではないということになるのでは?



そうですね。

むろん、光の質量は 0 です。



うそん・・・。

でも、光を 『 光子 』 と呼びますよね。

あれは 「 粒子 」 として物体があるのではないのですか?



光を 「 光子 」 と呼ぶのは、光のエネルギーが離散的であることによります。

光電効果などの現象により、光のエネルギーは hν であることが知られています。

h は 『 プランク定数 』 と呼ばれる定数であり、νは 『 振動数 』 です。



つまり・・・光子は粒子ではない?



いや、光が離散的なエネルギーをもつことを 『 光の粒子性 』 と呼びます。

これは 「 エネルギーが局在化している 」 ということを意味します。

これを粒子として 『 光子 』 と呼ぶことは自然です。

ただ、光子として 「 球形の物体 」 を想像することは正しくないということです。



えーと、確認ですけれど・・・電子は質量をもちますよね?



そうですね。

電子は電荷をもちますが、光子は電荷をもたない。

ただし、光は「電」磁波なので混乱する人はいるかもしれません。



あ・・・!

そういえばそうですよね。

光子と電子は関係ないのでしょうか?



むしろ、非常に密接な関係があります。

実際、素粒子論では電子と電子は光子を介して相互作用します。