対談形式(電気力線って存在するの?光って何なの?レーザー光線って回避できるの?)

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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?



電磁気学の基本方程式ですね。

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 』 というもの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で、何か実体があるわけではない・・・。

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。

このような波を 『 電磁波 』 と呼びます。

例えば、光は電磁波です。

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。



あ、光って電磁波なのですか。

・・・ん?

それだと光は実体をもた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 」 としての実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、光子から連想して球形の粒子を想像しているのであれば、それは間違いです。



えーと・・・、たしか、電子は質量をもっていますよね?



そうですね。



そえいえば、映画とかアニメに登場するレーザー光線って・・・何?



もし、レーザー光線と呼ばれているのであれば、それは光線でしょう?

よく言われることですが、レーザーは目に見えませんよ。

なので、「 あの光の筋は何か 」 と問われても、「 さぁ? 」 と答えるしかない。



ガーン!?

映画とかで、よく 「 レーザーが来るっっ回避しろ!!! 」 というセリフがあるのに。



レーザーが見えた?

それはレーザーが目に当たっているということでしょう。手遅れ。



ギャー!?

え、じゃあ、レーザー光線が出て 「 キィイイイン・・・ 」 と光の筋が見えたりすることはない?

そういうのって現実にありませんでしたっけ?



レーザーは見えませんよ。

工業でレーザーをつかう場面を見たことはありませんか?

実際に見てみると、標的から煙が出たりするだけで、レーザー自体は見えません。

ただし、チンダル現象などのように、光が乱反射して光の筋が見えることはありますよ。

まぁ、宇宙空間に光の筋が出るのはないだろうなと思いますけれど。



むぅ・・・、もしかして、映画などには科学的におかしい描写が多くある?



私は映像作品に科学的なツッコミを入れることは無粋だと思います。

なので、私はあまりツッコミをいれません。

ただ、あの類の描写をそのまま物理学の世界に持ち込むことがないように注意したい。