引力って？

Question

もしかしたら、あまりにも初歩的な質問かもしれませんが、どういうメカニズムで物質間には万有引力っていう力が働いているんでしょうか？
それと磁石は何故鉄を引き付けることができるんでしょうか？

我々は日常地上を安心して歩けますし、飛び上がっても必ず地面に落ちてしまって、地球から離れて飛んで行ってしまうことはありませんよね。また手に持って入る物を離せば下に落ちます。
こういうことはあまりに日常的過ぎて当たり前になってしまっていますが、地球と人との間にはロープも鎖もないのに何故引っ張り合うことができるのですか？

磁石も同様に鉄との間には空気しか存在いていないのに何故お互いに引っ張り合うことができるのか不思議でたまりません。
それに形ある物がその形を保っていられるのも、接着剤がくっつくのも、塗れた紙がガラスにくっつくのも分子間引力が働いているからですよね。これも万有引力のひとつなんですよね…？

ニュートンがリンゴが木から落ちるのを見て、「リンゴは落ちるのに何故月は落ちないんだろう？」って考えて考察した結果、万有引力の法則を発見したそうですが、それはあくまで現象の理論化であってメカニズムの解明ではないですよね。（間違ってたらすみません。）

こういう力のメカニズムって解明されているんですか？そしてそれは私のような素人でもわかるように説明できることなのでしょうか？

apple-man · Accepted Answer

>どういうメカニズムで物質間には万有引力っていう力が働いているんでしょうか？

 結論から言うと、現在のところその質問に対する
決定的な答えはありません。

　力を計算するためのモデルというのはいろいろ
あって、それが他の方のご回答にあるものです。

＞ニュートンがリンゴが木から落ちるのを見て、「リンゴは落ちるのに何故月は落ちないんだろう？」って考えて考察した結果、

　今の日本の学校教育にはいろいろな形で
ニュートンの力学の思想が組み込まれている
んで、疑問を持ちにくいと思いますが、
そもそも引力という力が存在していると
いうことも、まだまだ疑ってみるべき対象なんです。

　「ニュートンが万有引力を発見した」
という表現もありますが、これに疑問を持った
事はありませんか？自由落下なんて身の回りに
よくあることで、今の常識で言うと、わざわざ
ニュートンが発見しないと引力が見つからない
なんて変な話でしょ。

　これはニュートン以前に、物体の外側に力と
いう存在あるということをはっきり言った
人がいなかったためなんですが、例えば
古代ギリシャの人たちがどう考えていた
かというと、自由落下というのは物体
そのものの性質で、物体外部に要因はないと
考えていました。
　木の枝が伸びるのは、外部からの引力で
引っ張られているからではなく、枝自体の
成長という性質でしょ。物体の自由落下
も同じようなものと考えていたわけです。
　この考えはニュートン以前のガリレオや
コペルニクスにも自然に受け継がれていました。
ニュートンとほぼ同世代のルネ・デカルトなど
ニュートンの万有引力という考え方を
否定していました。

　運動は力と言う存在で説明できるという
ことを今の日本の教育では徹底しているので、
力という存在なしで運動を説明しろと言われたら
殆どの人には不可能な話だと思いますが、
力を考えず、ガリレオは自由落下を考えて
いたし、コペルニクスは惑星の運動を
考えていたわけです。デカルトにあっては
万有引力など存在しないとしていたわけです。

Ichitsubo · Answer

もしかして、imobatakeさんは科学が全ての事柄をすっきりと分かり易く表現出来る、少なくとも全ての事柄を解明出来ているとお思いでしょうか。もしそうであるとしたなら大きな間違いです。
万有引力があることがわかった、それを#1さんのいう重力場理論で説明がつくこともわかった、しかしそれでもなお、何故真空を超えて影響するのかはわかっていないのです。しかし科学はそこでストップするのではなく、その謎を解明しようと動くのです。

#10nablaさんへの御礼中「私が知りたいのは「物体が直線的に動かない原因」ではなくて」とありますが、この「物体が直線的に動かない原因」が重力そのものなのです。
地球は太陽の回りをぐるぐると回転していますが、地球にとっての"直線"はぐるぐると回転するはずの円軌道なのです。"直線"がなぜ円軌道にゆがんでいるか、それが太陽の質量の影響による"重力場"の影響です。その影響が目に見える形になったのが「重力」です。
（この段落は私の解釈に過ぎませんが。）

科学は謎を解明すればするほど、新たな謎を産む学問です。

#14 shkwtaさんへの御礼中
>とありますが、申し訳ありませんが、その上の数式による説明は全くわかりません。（数学は苦手中の苦手です）

数字の大きさだけ見て比較すればいいのですよ。途中の計算はわかるに越したことはないですが、結果を比較してみましょう。

sokuratesu · Answer

とても興味深い質問でしたので、ずっと注目をしていました。

ここで回答されたことを読んで、次のようなことを思いました。

まだ、あらゆることが解明されていない。そのために現在のいろいろな説がある。
・重力子のように物質を元にして解明しようとしている。
・空間の性質「場」を見直しことによって解明をしようとしている。
・現象を計算式にあてはめ、現実にを示す法則を見つけようとしている。

特にNo１１の説明は興味深いものでした。
空間を今まで考えていたものと違ったものとして見直すことで解明しようとすることはおもしろい解決策だと思います。
そもそも私たち人類はまだほんの少ししか分かったいないのです。すべてを理解することはできないのです。自分の魂の存在もはっきりしていないし、物質そのものがどのようにできているかも何かも分かっていません。時間も分かりません。
No11は現実の現象を空間の理解につなげているのではないでしょうか。

素人からの感想です。

shkwta · Answer

＜No.8の再質問への回答です。＞
計算してみました。例は塩化ナトリウムＮａＣｌです。
Ｎａ+ と Ｃｌ-　の間には複雑な力が働いていますが、簡単のために２つの電荷の間の引力だけを考えます。
Ｎａ+ の電荷　1.9×10^-19 C
Ｃｌ- の電荷 -1.9×10^-19 C
Ｎａ+とＣｌ-の距離　2.4×10^-10 m
真空の誘電率　8.9×10^-12 F/m
これからクーロンの法則で計算すると、静電気力は　4.0×10^-9 N

Ｎａ+ の質量　3.8×10^-26 kg
Ｃｌ- の質量  5.8×10^-26 kg
Ｎａ+とＣｌ-の距離　2.4×10^-10 m
万有引力定数　8.9×10^-11 N m^2/kg^2
これから万有引力の法則で計算すると、万有引力は　2.6×10^-42 N

ということで、静電気力のほうが１０の３３乗倍ぐらい大きいので、万有引力は無視できます。

＜No.10の再質問への回答です。＞
「物体の間にロープや鎖があれば、力が伝わるのは、当たり前だ」と日常の感覚では思われます。しかし、ロープや鎖も電子と原子核でできていて、電子や原子核の間は真空です。電子や原子核が、その真空を通して力を及ぼしあっているので、ロープや鎖が力を伝えることができるのです。ですから、ロープや鎖があったところで、力が伝わるのは真空の空間であるという点は変わりません。ですから、真空というのは「何もないところ」ではなくて、「力のもとになるような様々な現象が起こる場所」であるわけです。力を理解するには日常感覚から離れるしかありません。

hogehogeninja · Answer

電気や磁石の場合は、次のように説明されます。

良く言われるように、スポンジの上に２つパチンコの玉をおいたとき、
玉の重みでスポンジが沈み、そのスポンジの沈みによって二つの玉は
近づきます。
一つの玉を置くとスポンジが変化し、その変化を通じてもう一つの玉が
動くわけです。

プラスとマイナスの電荷を置いたとき、引き合いますが、
直接引き合う、と説明しても良いですが、ちょうどスポンジの例えの
ように、プラスの電荷を置いたとき、空間がちょうどスポンジのように
そのまわりで何らかの変化をして、その空間の変化によってマイナスの
電荷は力を受ける、という説明もできます。
その空間の変化は、「これだけの電荷を置いたときには、これこれの場所では
この方向にこれだけの変化をうける、また別の此の場所ではこの方向にこれだけの
力を受ける、またこの場所では………というように空間が変化した」
というように、空間のすべての場所でどう力を受けるか、を説明することに
よってどう空間がそのもとのプラスの電荷を置くことによって変化したかを
表現します。この変化する空間がスポンジで、このスポンジの変化を通じて、
「この場所では空間はこうなっているので、マイナスの電荷を置いたときに
この方向にこれだけの力を受ける」というふうに説明されます。
この力を媒介する、なにか電荷によって変化する性質のことを、「場」と
いいます（スポンジのことを「場」といいます。まさしくものが乗っている「場」ですね。
空間のときには、「場」は３Dの空間全体に広がっている性質ですから、
私たちは乗っているかわりにこの「場」の中にいるということになるでしょうか）。

「場」のイメージは、磁石の回りに砂鉄を撒いたときに磁力線に沿ったすじが
できますが、あれは磁石に関わる場、「磁場」の直接的なイメージです。

電気に関する場は、「電場」といわれます。
磁石を置いても電荷は力を受けませんし、電荷を置いても磁石は力を受けませんので、
「磁場」は電荷には力をおよぼさないし、「電場」も磁石に力をおよぼさないので、
「磁場」と「電場」は別々のものです。空間のどこの一点一点も、「電場」と
「磁場」という二つの性質を同時に持っています。

さて、これまではこんな風に力を伝える媒体としてのスポンジ、「場」を
考えても説明できる、という話ですが、実際にそんなものは実在するのか？
ということになります。説明のためだけなのか、それともしあるなら
スポンジの上に乗っている玉がなくても、スポンジはあるはずで、たとえば
ぷよぷよ振動しているかも知れません。

この電荷がないのに「場」だけでの振動を捕らえることができれば、
「場」のあることの証明になります。
電場と磁場があったとしたときに、どのように振る舞うか、ということは
よく実験されて知られていて、たとえばコイルを使って電磁石を作ってみたり、
コイルを使って発電してみたり、ということで分かります。

これに一工夫加えた一連の方程式をマクスウェルの方程式、といって、
電磁場の方程式として知られています。
この式を解くと、電場の変化によって磁場が変化したり、
磁場の変化によって電場が変化したり（後者はコイルを使った発電です。
前者はコイルを使った電磁石、、、、とちょっと違いますのでご注意）
ということが分かり、磁場と電場がお互いに（電荷や磁石が無くても）
影響をおよぼしあっていて、しかも水の波のように空間を伝わっていく
ことが分かったりました。
さらにその速さも計算できて、丁度光と同じ速さでした。

テレビ、ラジオ、携帯と、いわゆる電磁波です。


つまり、電荷は直接に力をおよぼすのではなく、
電荷の存在によって回りの空間が影響されて変質し、
もうひとつの電荷は、自分のいる場所の空間が何らかの変化を受けた
その空間の変化によって、力を生じるわけです。
ただし、それは空間の性質ですから、電荷のあるなしに関わらず、
空間自身が持つ性質です。空間がその性質を持つことは、
電荷がなくても丁度スポンジが揺れるように、空間の変化だけが
伝わる現象（電磁波）があることによって分かるのです。

それではなぜ電荷があると空間が変化するの？といわれれば、
やはり不思議であるかもしれませんが、それはその通りである、としか
言えません。しかし少なくとも、遠くに力が直接伝わるのではなく、
ごく近くにしか影響しないもののつながりで、結果として遠くにも
力がおよぼされる、と説明できしたから、その部分は前進です。
遠くに力が伝わるのは、スポンジのように
力を媒介する「場」があって、ちょうどスポンジがへこむときのように
遠くには影響をおよぼすこと無く、スポンジのそれぞれの場所が
その回りだけに影響をおよぼして、玉を置いたときには少しずつ沈んで
最後に全体として釣り合うように沈みます。決して一気に遠くに力を
およぼしません。ごく近傍に伝わる効果の連続として、結果として
遠くに力をおよぼします。


同じように、重力（万有引力）も直接遠くに力が伝わるのではなく、
同じようにごく近傍に伝わる空間の変化の連続として説明できないか、という
ことが考えられました。この場は「重力場」で、「電場」「磁場」に加わる
３つめの別の空間の性質です。

この「重力場」がどのような性質を持つか、ということを具体的に論じたのが
一般相対性理論です。そのなかでは、空間の形と重力場を結び付けており、
空間の形がゆがむことによって重力場（重力）が生じる、と説明しています。
このゆがみは本当のゆがみで、幾何学的なものです。

ニュートンの力学ではものは力が働かない時、等速直線運動をしますが、
重力が働いている代わりに、空間がゆがんで、とても広い意味での
「等速直線運動」をすることによって、軌道を説明します。
一般に重力による軌道は地球や月の軌道のように円や楕円、などで、
曲線です。非常に限られた特別な場合の時、見た目の軌道は直線になります。

付け加えれば、nablaさんの回答は、そのような意味で、
重力を説明するとてもとても具体的な話での、相対性理論の例え話でしょう。

--------------------------------------------------------

またニュートンは万有引力を発表したとき、当時の学者から、
その遠方に直接力が伝わるという性質から、
「オカルト的である」とか「宗教的である」
とか批判を浴びたそうです。
それにたいしては、単に非常に天体の運行が理論に合うことを示す数学を
示すだけで反論し、敢えて言葉では反論はしなかったとうエピソードがあります。
言葉で表現するときには都合上直接つたわるのか、間接的に伝わるのか気になりますが、
数式で表現すれば質量がこれこれあればこうこう運動する、というだけで、
必要十分な記述だけですみ、力が直接的か間接的かということは言及する必要がありません。

一つには純粋に科学の範囲だけの議論をして謙虚に科学の範疇をわきまえていたわけですが、
もう一つにはその事実のもつとても大きな説得力を、自分の言葉の代わりに使った、
ということです。

nabla · Answer

No1です。
年末年始のごたごたで忙しくて回答できませんでした。失礼しました。

うーんどう説明しましょうか？

中学数学程度の知識で一般相対論の概念を具体的に実感してもらうことにします。

例えば物体はxy平面（慣性系）で直線運動するとしましょう。
つまり物体の軌道は一般的に
　　y＝ax+b
と表されます。

何らかの原因で私たちの目にはXY平面こそが"正しい"座標であるように見えるとしましょう。

そしてxyとXYの間には、
　　x＝XY
　　y＝X^2
という関係があったとします。

私たちの目に物体の軌道がどう映るのかを知りたければxyとXYの関係式をy＝ax+bに放り込めばすむ話です。

実際にやってみると
　　X^2＝aXY+b
⇔Y＝X/a+b/(aX)
となります。

このグラフを実際に書いてみれば分かりますが直線にはならないのです。

これが力が働かないのに物体が直線的に動かない原因なのです。

そして何らかの原因といったのが
「エネルギー」なのです。

eria77 · Answer

こういう力のメカニズムって解明されているんですか？
全然解明してくれる方がいません。＾０＾；

電子が流れると９０度位相で磁力線が、更に９０度位相で力が発生します。

電波は電界強度（ワット）がありますから、
Ｗ＝ＶＡつまり、電子は電磁波になって真空中を飛翔する事が分かります。
つまり、見えないエネルギーに変換された訳です。
電子＝電磁＝エネルギーな訳です。

Ｅ＝ＭＣ＾２より、エネルギーは、質量に変換可能です。
質量＝エネルギー＝電磁＝電子の関係が密接な事が分かります。

後は重力力を当てはめれば良いだけの話です。

これに対する質問、反論は御遠慮願います。

shkwta · Answer

質問文の
「それに形ある物がその形を保っていられるのも、接着剤がくっつくのも、塗れた紙がガラスにくっつくのも分子間引力が働いているからですよね。これも万有引力のひとつなんですよね…？」
の部分だけについて回答します。

これらの力は、万有引力ではありません。原子の中に＋の電気をもつ陽子と－の電気をもつ電子があるために生じる力で、電磁気力の一種です。
ただし、極微の世界の話ですので、電磁気学の理論から化学結合や分子間力を導くには、量子力学が必要になります。

shiara · Answer

No4です。

光子が自分を捕まえてくれる相手を探すのは何故なんでしょうか？光子に意思でもあるのでしょうか？
光子は何故エネルギーと運動量を相手の粒子に渡すのでしょう？そのメカニズムは？…とか

の質問に対してです。言葉で説明すると、どうしても光子が擬人化されてしまいますね。数式では、光子のエネルギー運動量ベクトルの内積の逆数を複素積分する、というような形になります。何のこっちゃ、分かりませんよね。
　自然現象を言葉で記述したり数式で記述したり、人間は自然を理解するために色々と工夫をしてきましたが、なかなか本当のところは理解できないのかもしれません。それでも、数式で記述できれば、そこからいろんな予測が可能となりますので、数式による記述が一番有効な方法です。これを理解するためには、相当勉強が必要ですが。

hiro715 · Answer

＃２です。

> ええ！そんな高度な学問を習得しないと理解できないのですか。

　はい。超最先端の理論物理学です。
　以前、科学雑誌「Newton」の記事で読みましたが、最先端の理論物理学論文を本当に理解できる人は世界中で数十人程度だろうと語っている人がいました。そのために、理論的な誤りに気づいた人がいたとしても、それを他の学者に検証されることは時間がかかるだろうし、そもそも権威の前に理論的な誤りを指摘できないかもしれないと危惧している人もいました。


　＃２についてですが、４つの力が同じ物だなんて主張するつもりはありませんｗ　私程度の能力では、４つの力を理解できてすらいないのでｗ
　ちなみに、大統一理論は重力以外の３つの力を統一しようとする理論です。重力を含め４つの力を統一しようとする野心的な理論（超ひも理論など）はいくつもあるけれども、仮定が空想的すぎたりするようです。

引力って？

>どういうメカニズムで物質間には万有引力っていう力が働いているんでしょうか？

もしかして、imobatakeさんは科学が全ての事柄をすっきりと分かり易く表現出来る、少なくとも全ての事柄を解明出来ているとお思いでしょうか。

とても興味深い質問でしたので、ずっと注目をしていました。

＜No.8の再質問への回答です。

電気や磁石の場合は、次のように説明されます。

No1です。

こういう力のメカニズムって解明されているんですか？

質問文の

No4です。

＃２です。

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