超弦理論レベルでの電場の実体は？

大学教養レベルでの電場を、もう少しちゃんと理解してみたい、という意味で、超弦理論などのレベルで「点電荷がつくる電場」を説明しなおすとどうなるかを知りたいです。
通常高校物理や大学教養レベルだと、クーロンの法則の数式の式変形で点電荷の電場が定義され、遠隔作用か近接かの話になって、「その後の議論でそれこそが実体だとわかりました」と深い説明なしに納得させようとしてきます。
場っぽいものを説明してくれているのかなという気がする、超弦理論をゆるく説明する本やノーベル物理学賞を解説してくれるテレビ番組レベルだと何かの粒子っぽいものが飛んでいるような説明がでてくるときと、真空でも粒子が詰まっていてそれが振動する、っていう雰囲気の説明が出てくることがあります。で、電場は結局どっち？って思っても、そんな基本レベルは教えてくれない。
よくわかっていないので、どう聞いたらいいのかもわからないのですが、よろしくお願いいたします。

No.1 回答者： ナッキーナッキー 回答日時： 2020/03/22 08:09

超弦理論で正確に電磁場がどのように扱われるのかは正直言って分かりません。

まあ、それに、超弦理論が正しいという証拠（実験的な確証）も無い状態です。
それは、今の人間の技術では、超弦理論の証拠を得るための実験的手段が無いからです。
ですから、ノーベル賞学者の中には、超弦理論は物理理論でないと撥ね付ける人もいるようです。
現代の物理学者の多くは、「場」というものから「粒子」が作られると考えています。
その「粒子」の最小単位は「振動する弦」と考えるのが超弦理論です（”超”が付く理由は割愛します）。
で、光子とか電子とか様々な素粒子は「弦」の振動の仕方の違いとして捉えています。
ただし、「粒子」はつぶつぶの物体、「弦」は糸みたいな物体とは考えないで下さい。
「粒子」は人間の世界でつぶつぶの物体みたいに振る舞う“何か”ですし、
「弦」も人間の世界で弦みたいに振る舞う”何か”であって、
その”何か”は何であるかは説明できません。
そんなわけで、「場」で満たされてると説明したり、「粒子」が詰まっていると説明されたりしますが、
どちらで説明してもＯＫで、かつ、どちらで説明しても”たとえ話”でしかありません。
ダラダラと書きましたが、ここいら辺の事はご存じではないでしょうか？
そんなわけで、電場は「粒子」とも「場」とも考えられます。
何か、中途半端で気持ち悪いと思いますが、どうやら、その”気持ち悪い”物が実体みたいなんです。
で、電場の実在性ですが、これは最先端の物理から出てくる訳ではなく、いわゆる”古典”から出てきます。
いくつかの電荷が力を及ぼし合って運動するとき、運動量の和が保存されないという結果が出てくるんです。
じゃあ、電荷では運動量の保存則、別の言い方をすると作用・反作用の法則が成り立たないのか？
って、事になるのですが、電磁波（ようするに、電波や光のことですね）の放射を考えに入れると、
運動量の保存則（作用・反作用の法則）がキチンと成り立ってしまします。
そうなると、電場は数学的な道具では無い（遠隔作用とでは無い）って事になります。
ここいら辺の事情は、例えば、砂川重信先生が書いた著書「電磁気学」（物理テキストシリーズ、岩波書店）
の第３章「電流と磁場」§５（３）に説明が出ていますので、
興味があったら読んでみて下さい。

超弦理論に関して、誤りがあったら、他の方々が訂正してくれるのではないかと思いますので、その時は、ご容赦願います。
質問者さんが納得できるような回答ができなくて申し訳ありませんm(_ _)m

この回答へのお礼

実在性の件、ご説明ありがとうございます。
砂川「電磁気学」来週探して読んでみます。

追加質問で恐縮ですが、
電子1個、または陽子1個だけの静電場的な状況を考えるとき
・因果関係で言ってどちらも、電荷がある→電場ができる　でいいですか？
・どうやって空間全体に伝わっていますか？
・伝わるときに磁場が生まれてしまいますか？
・「正電荷から出て負電荷に吸い込まれる」ように見えるだけ、ですか？

お礼日時：2020/03/22 09:56

No.2 回答者： s_hyama 回答日時： 2020/03/22 11:10

電子波で見る電磁界分布 【　ベクトルポテンシャルを感じる電子波 　】

外 村　彰
https://www.ieice.org/jpn/books/kaishikiji/20001 …

から入ればいいじゃない。

＞”超”が付く理由は割愛します）。

なぜなら、超対称性理論は重力まで含めると、理論の整合性から、超弦理論 (superstring theory) にまで拡張される 必要があると考えられているからである。http://www2.kobe-u.ac.jp/~dragon/

点の発散をキャンセルさせる数学的方法の一種なだけです。

そのどれもが大きさのある時計を大きさのない座標点として扱う「矛盾」を持っているが、時間と空間を分けて伸縮させないニュートン力学では特に問題にならなかった。　この「矛盾」を相対論のように問題先送りして時空を一体に伸縮させた場合、どこかに特異点が生じ理論が破綻する。https://blog.goo.ne.jp/s_hyama/e/9f92b7bc5cf7e4a …

この回答へのお礼

複数のリンクのご紹介、ありがとうございました。
外村さんの総説、拝読いたしました。
前半は、ベクトルポテンシャルって立ち位置微妙ですよねぇ、って
思いながら、復習した感じ。
後半のAB効果の件は、短く結論しか知らなかったので、詳しい話を知れて勉強になりました。
ただ、いずれも今回知りたかった話ではなかったです。
超弦理論を教えてほしいのではなくて、そういうレベルのいいかたで、
電子1個が作る電場はどう解釈されているのか、って辺りを
教えていただきたいです。

お礼日時：2020/03/22 22:09

No.3 回答者： ナッキーナッキー 回答日時： 2020/03/22 11:34

難しい問題ですねぇ～（＾＾；）

先ほどの砂川重信先生の本では、電荷と言う実体と電場と言う実体は切り離して考えておられるようです。
そうすると、もちろん電荷から電場が生じる事が説明できなければならないと思いますが、
そこら辺の理論は量子電磁力学で扱うのではないでしょうか？
申し訳ありませんが、私の知識、理解は量子電磁力学まで達してしません。
ただ、電磁波（電波や光など）は電場と磁場が対になって伝わる事を考えると
「電荷がある→電場ができる」は成り立つとしても、その逆「電場がある→電荷がある」とは言えないと思います。

＞どうやって空間全体に伝わっていますか？

これは、もう、“場”として伝わって行くとしか言えないのではないでしょうか？
電場（磁場）による力は、光子を通して伝わるとなっていますが、
これを述べたところで、”どうやって場が伝わるか？”には答えた事になりませんからねぇ～。
平たく言うと、私には答えられません・・・御免なさい。

＞伝わるときに磁場が生まれてしまいますか？

これも難しい問題ですねぇ～。
マックスウェル（電磁気学を作った人）の方程式では、
電場が時間と共に変化すると磁場が発生し、磁場が時間と共に変化すると電場が発生することが示されています。
電磁波は、ようするに、電場と磁場がお互い相手を発生させながら伝わる波と言えますが、
じゃあ、静電場（時間に対して変化しない、一定の電場）が伝わるとき磁場は発生するのでしょうか？
これも、私には答えられません。
しかしながら、実は電場と磁場は「電磁場」という一つのものである事が分かっています。
これは、相対性理論から初めて出てきた事ですが、
電場は「電磁場」の側面の現れであり、磁場も「電磁場」の側面の現れであるということです。
ですから、電場しかないはず空間を移動すると磁場が現れたり、磁場しかないはずの空間を移動すると電場が現れたりします。
ですから、静電場が伝わると、磁場も表には出ないけれど、一緒に伝わっていると考えられるかもしれません。

＞「正電荷から出て負電荷に吸い込まれる」ように見えるだけ、ですか？

まず、正電荷、負電荷は人間が勝手に定義したものです。
そういうふうに定義して、正電荷から負電荷に向かう（吸い込まれる）となっています。
まあ、それでも、簡単な問題ではない事は確かだと思います。
電磁気学を確立したマックスウェルは、流体力学（水などの液体を扱う力学）をモデルにして考えていったらしいのですが、
それをそのままに受け継ぐなら、「吸い込まれる」が成り立つのだと思います。
しかし、一般には何かが「吸い込まれる」とは考えられていないと思います・・・私もそうは考えていません。
そう考えると、「なんで、正電荷からは”出っぱなし”」になるの？「負電荷は”吸い込みっぱなし”」になるの？
って、疑問が出てきますし、エーテルを復活させる事にもなると思います。
エーテルとは、昔は存在すると考えられていましたが、現在は否定されている、
電磁波（電波や光）を伝える宇宙全体に充満している”物質”の事です（電場、磁場の”元”になる物質と考えてもいいです）。
でも、”本当に”何かが出たり吸い込まれたりしている訳ではないのか？と言われると、「分かりません」としか答えようが無いです。
それは、光が”誰から見ても”速さが同じに見えるとか、真空中を伝わる事ができるとか、常識では理解不能の振る舞いをするからです。
理解不能なものが、理解不能な振る舞いをしても、もしかしたら不思議ではないかも知れません。

え～、長文になり、かつ、全く満足できない回答になってしまった事をお詫びしますm(_ _)m

この回答へのお礼

コメントありがとうございます。
＞電場（磁場）による力は、光子を通して伝わるとなっていますが、
もし可能なら2つの（ほぼ、できれば完全に）静止した電子の間にクーロン力が働く様子を、どういう光子がどう出てきてどう伝わる、みたいな説明をいただけると
ありがたいです。

お礼日時：2020/03/22 22:26

No.4 回答者： puyo3155 回答日時： 2020/03/22 20:06

マクロの話と、ミクロの話をごっちゃにしても、なにも答えは得られません。

まず超弦理論以前に、量子論や場の量子論で、素粒子の標準モデルの基礎を学びましょう。

それが、いまのところ、物質や力の振る舞いを正しく表現できる体系だった物理学ですし、重力こそ統合されいませんが、極限の計算は、南部陽一郎先生のくりこみによって、一定の解決が得られてるので。

この回答へのお礼

コメントありがとうございます。
私も人に聞く前にとりあえず自分で勉強してみよう、と
思ったのですが、挫折して、ここで聞くことにしました。
No.1様のお礼欄の追加質問にゆるくお答えいただければ幸いです。

お礼日時：2020/03/22 22:27

No.5 回答者： puyo3155 回答日時： 2020/03/23 08:28

いきなり超弦理論の話をしても無理ですよ。

野球のルールさえ知らない子供に、プロが高等な連係プレーを言うようなものですから。

現代の物理学が、標準模型や、場の量子論で至った、いったんの結論は、すべては場だということです。

力を伝えるのが、ボゾン。
物質を作るのがフェルミオン。

１７の素粒子でこの世は出来ています。簡単に言えば、この世はすべて場の振動。すべの素粒子にはなぜか空間を埋め尽くすそれぞれの場が存在し、その場がエネルギーによって励起して空間を伝わる。相互作用がなく素粒子が空間を単独で移動すると、粒のようにみえることもあるが、それは幻である、ということです。

電磁気力を伝えるのが光子。強い力を伝えるのがグルーオン、弱い力を伝えるのがWボソンやZボソン。
それらが、電子やクオークを結合させたり、相互作用させて、物質ができあがります。

マクロな物質が安定して、まるで粒子のように見えるのは、

・グルーオンで結びついたクオークの粒が核子（陽子や中性子）を作り。
・核子同士が、中間子（これまたクオークがグルーオンで結合）によってむずびつき
・出来上がった原子核と電子が、光子によって結びつく。

これらが、極めて安定しているため、多くの化学反応（核子は変わらず、電子のやり取りを通じて、変わる）によって多様な物質が生み出されているってことです。
ここまでで、ほぼ質問の答えは終わりですが、超弦理論はこの先です。
標準模型では、ほぼ完ぺきに素粒子の振る舞いを記述できるようになりましたが、まだまだ分からないことがある。

・　パラメータの多くが観測値であり、根本的な理論から計算できない。
・　素粒子というわりに、数が多すぎる。
・　重力が説明できない。
・　大きさがないモデルなので、極限状態で発散する。

などです。それを、弦の振動などによって、素粒子が生み出されいる・・・・と考えるのが超弦理論ですね。
なかなかこれをマクロの感覚と合わせても、話が発散します。まずは、標準模型による、場の振動イメージをとらえるのが最初のステップだと思います。

この回答へのお礼

いろんな理論のご説明ありがとうございます。
大変恐縮ですがあと少しお付き合いください。

私の読解力が悪いのでしょうが、
肝心な質問にお答えいただけなかったように思えます。
というより質問の仕方が悪かったようです。
・質問１　静止した電子が1個あるだけの空間で電場ができる（存在する）様子を
　ご説明いただけないでしょうか。
・質問２　静止した電子が2個あるだけの空間でお互いの電磁気力が伝わる様子を
　ご説明いただけないでしょうか。

ある意味で、
＞電磁気力を伝えるのが光子。
をあと一段、質問に沿った意味だけでかみ砕いた感じで
クーロンの法則が導かれる程度のご説明を期待しています。
場の量子論やら標準模型の専門用語が入っても結構です。その用語の説明がなくてもいいです。
ただ、この質問に答えるために必要のない一般化のための説明を省いていただけると
ありがたいです。
もし量子力学的に、あるいはその後の理論で質問の状況が自体が思考実験レベルでも
成立しないような話だったら、適宜質問を微修正してください。

お礼日時：2020/03/23 17:51

No.6 回答者： d9win 回答日時： 2020/03/23 15:15

「点電荷がつくる電場」の説明を超弦理論に求めても無駄だと思います。

電子が何であるかとかクーロン力が何であるかという問題は、物理学はまともに取り上げてません。余りに本質的なのでまともな答えがないからです。まともな答えとは、それが実験か実際の観測によって確認できる手段も明らかにしているものです。
電子が電荷を持っており、電荷が保存されて、クーロン力が働く等は、その理由は判りませんが、事実に違いないとして認められてます。そのような事を出発点にするのが近代科学です。
私は超弦理論について何も知りませんが、確認のしようがないと批判されていることは聞いてます。電子や電場について何か説明があるとしても、専門外の者が簡単に納得できるものではないと思います。

物理の本質を素人でも判り易く説明している第一人者はファインマンだと思います。彼の教科書や一般者向けの講演で解説されている以上のことは、物理の専門家にも本当は分かってないのだと私は思ってます。
彼の書いた"ファインマン物理学"にはいろいろとユニークな視点からの説明がありますが、彼は、前書きの中で、電磁気については普通の扱いしかできなかったと少し悔やんでいたと記憶してます。確かに、電磁気力で質量がもたらされたらどうなると言った静電質量とか電磁質量の話はありますが、他の分野ほどのユニークさはないように思えます。電磁気学は、ファインマンも簡単明瞭には説明し切れないテーマが満載なのだろうと、私は受け取りました。
なお、彼の”光と物質の不思議な理論”という本は、一般者向けの講演ですのでお勧めです(この物質とは電子のことです)。電子や電場よりも光の方が単純ですが、それでも不思議が満載です。

ちなみに、電磁量子力学では、クーロン力を光子が往復運動することで運動量をやり取りすると説明しているようです。電子-電子の反発力はそれで良いが、電子-陽子の引力はどう説明するのだろうと不思議です。

この回答へのお礼

＞物理の本質を素人でも判り易く説明している第一人者はファインマンだと思います。
私もそう思いまして、1年ほど前にファインマン物理学電磁気学を買ってみたりしましたが、
これを読むほど暇じゃないことに気づいて終わりましたw
ではありますが先ほどとりあえず「光と物質の不思議な理論」を発注しましたw

>電磁量子力学では、クーロン力を光子が往復運動することで運動量をやり取りすると説明しているようです。
ありがとうございます。
こういう説明が出てくるのを待ってました。

お礼日時：2020/03/24 02:22

No.7 回答者： puyo3155 回答日時： 2020/03/23 22:54

こちらが説明したことを読まず、ひたすら自分の疑問を、自分の心地よいように答えてくれるのを待つってことでしょうか？

もはや質問が何なのか、まったく理解不能でのですが・・・・

＞質問１　静止した電子が1個あるだけの空間で電場ができる（存在する）様子を
　ご説明いただけないでしょうか。

そういう古典的な場。電子が、電場を作る・・・という概念がありません。だから答えようがありません。
場は、最初から空間の至るところに存在します。電子があってなくても、すべての素粒子場が空間に存在するということです。
むしろ場が実態で、電子は虚像です。だから、電子がそこに一つあって・・・・という比喩さえ、条件を具体化しないと無意味な討議です。

小さいコメ粒のような電子は、ないのです。電荷も、相互作用をしめすパラメータで、実態があるわけではない。

不思議ですが、なぜだかは誰にもわかりません。

＞・質問２　静止した電子が2個あるだけの空間でお互いの電磁気力が伝わる様子を　ご説明いただけないでしょうか。

光の場、つまり電磁場を行き交う素粒子、つまり光子を、電子が相互に交換することで力が伝わります。

とにかく、質問者の古典的な電磁場の概念を変えずに、都合のよい質問だけ繰り返しても無意味だと思いますよ。場が振動した波を、量子化したものが粒子。それが電子の実態だったり、光子の実態だったりするわけで、どういう粒度にせよ、まず新しい概念を理解しようと努めないと。

電子の周りに電場ができる・・・・のは、古典論的な、マクロ的な、量子論から言えば、表面的な現象を表した比喩なのです。クーロンの法則もその典型。マクスウェル方程式も現象論。だから古典論であり、マクロ理論なので。現象を記述していることに理由はありません。

一方で、ミクロを記述するのが量子論であり、場の量子論であり、超弦理論ですから、それを古典論的解釈でわからないからといって、質問に答えていない・・・・とごねても、答えようがありません。自分が少しでも、その世界に入って、自分の先入観や、既成概念を壊すことから始めないと。

質問者のような考えは、あるあるです。そこを抜け出るのが、学ぶということです。自分の概念で理解をすすめるのは、学ぶとはいわず、単なる既成概念への固執です。

この回答へのお礼

ここまでお付き合いいただきありがとうございました。
４つか５つか、もうちょっと誤解されたままなのがこちらには明らかなのですが、いろいろ残念です。
まあ、こちらもぼかして聞きましたし勝手に思い込まれてもしかたない。

お礼日時：2020/03/24 09:01

No.8 回答者： s_hyama 回答日時： 2020/03/24 01:52

>電子1個が作る電場はどう解釈されているのか、って辺りを

教えていただきたいです。

超弦っていうより、スピンな話の方がしっくりくるかもね。

電子は光と同じように空間中の波動として振舞う。 この扱いについては後の章で示すが、電子はさらにスピン(spin)と呼ばれる 内部状態を有する。http://www.moge.org/okabe/temp/quantum/node25.html

Note292 スカラー光子とクーロン力の関係
https://cat-falcon.hatenablog.com/entry/33516155

ひゃま的には、8の字回転する光子が電子かも

この回答へのお礼

リンク２つ、ありがとうございました。
読んでみます。

お礼日時：2020/03/24 09:02

No.9 回答者： puyo3155 回答日時： 2020/03/24 09:11

＞４つか５つか、もうちょっと誤解されたままなのがこちらには明らかなのですが、いろいろ残念です。

そういう捨て台詞はアンフェアですよ。
だったら、クローズして、質問しなおす。その時には、自分の物理の理解レベルを言うかすればいい。

こちらの説明（他の回答にも）に、何一つ納得せず、追加の質問繰り返すだけじゃ何も生まれませんよ。