高校物理 場という概念がなぜ必要なのかを教えて下さい！

今電磁気学を勉強しているのですが、唐突に場という概念がでてきて困惑しています。なので、どのような経緯で場という概念ができたのかを教えて下さい。

自分なりに整理してみた考え方は、以下の通りです。
ニュートン力学では、粒子間相互作用が相対位置ベクトルの関数として瞬間的に定まるとしてきたが、現実世界では、情報伝達速度は有限であることから、瞬間的に相互作用が定まると考えることが難しい？場合がある。この情報伝達のタイムラグを補正する概念として、粒子だけに性質を持たせるだけではなく、空間に何らかの性質を持たせた場が考え出された？？？そうすることで、電磁気学の諸現象を綺麗に説明できるようになった。。。？

場を考え出すことで、なぜタイムラグを補正できるのかがいまいち掴めていないし、そもそも上記の考え方が合っているのかも分かりません。。。

ご回答宜しくお願いします！<(_ _)>

No.4 回答者： kothimaro 回答日時： 2017/05/28 10:40

「くりこみ理論」とは何でしょうか。

量子力学では、粒子を点と考えました。しかし、これでは粒子同士どこまでも近づきます。
一方、電磁気力の強さは、電荷を帯びた粒子間の距離の2乗に反比例します。故に、粒子間に働く電磁気力の強さは無限大になります。つまり、電子の持つ本来の電荷(真の電荷)は無限大となり、それ以降計算不能に陥ります。

計算結果の値が無限大に発散することは、電磁力の計算の過程で良く起こります。
電子(マイナスの電荷)は、常に粒子(マイナスの電荷)と反粒子(プラスの電荷)を発生吸収しています。プラスの反粒子は電子側にマイナスの粒子は電子の反対側に位置(分極)し、このプラスの反粒子とマイナスの粒子の1セット(電子双極子)が雲状に電子を取り巻きます。
そのため、実験では元々電子が持っていた電荷(裸の電荷)が弱まって観測されます。電子と電子双極子は双方点であり、どこまでも近づくので、理論上弱まる力を計算しても無限大となります。

この様に、①電子の真の電荷の強さを計算しても無限大、②電子双極子により弱められる電荷の強さを計算しても無限大となり、それ以上計算が出来ません。
しかし、①電子の裸の電荷の強さから②電子双極子により弱められる電荷の強さを差し引いた値は、実験により確認されています。
そこで、
・①×粒子同士は一定距離③までしか近づけないと仮定した時の電子の電荷の強さ/無限大
・②×粒子同士は一定距離③までしか近づけないと仮定した時の電子双極子により弱められる電荷の強さ/無限大
と処理します。これを「くりこみ」と言います。この一定距離③を計算結果が実験値に一致する様に取るのです。

朝永博士は、「くりこみ理論」というのは発散を除く一つの便法で、カンニングのようなもの だと言っておられました。無限大に発散して値の定まらない所へ実験値を代入するのですから、確かにそのとおりです。

一方、湯川博士は「くりこみ理論」が提唱される以前から、「点状粒子」の考え方には限界があることを見通され、「広がりや大きさのある粒子」像を想定し「場の量子論」を提唱されました。
しかし、朝永博士の「くりこみ理論」の成功で、湯川博士の考え方は忘れ去られました。

しかし「くりこみ」の手法は、根本的な解決方法ではありません。再び、湯川博士の「広がりのある粒子」の考えが見直され、その結果素粒子を「超ひも」で表現する「超ひも理論」が完成しました。
この「超ひも」は、プランク長程度(10^-35[m])の長さです。「超ひも」の振動であらゆる粒子を表現出来ます。ですから、粒子同士、プランク距離より近づくことが出来ないのです。これで、電荷を帯びた粒子間に働くクーロン力も無限大ではなくなり、裸の電荷も無限大ではなくなりました。

また、質量同志が何処までも近づけるなら、質量間に働く万有引力は無限大となり、質量が本来持っている万有引力も無限大となってしまいます。
しかし、質量同志がプランク距離よりも近づかないので、質量の持つ真の万有引力も無限大ではなくなりました。

その結果、真の電荷と真の万有引力の強さは幾らとなったのかを見て行きましょう。
・④1粒の電子と陽子がプランク距離Lpまで近づいた時の電磁気力=(1/4π*ε0)×(e^2/Lp^2)=e^2/(4π*ε0*Lp^2)
です。一方
・⑤プランク力=プランク質量同志がプランク距離まで近づいた時の万有引力=プランク質量×プランク加速度=ディラック定数×1秒間の振動数(プランク時間tpに1回振動)÷光速^2(エネルギーを質量に換算)×光速÷プランク時間=(ħ/tp)×(1/c^2)×(c/tp)
=(ħ/tp)×(1/c^2)×(Lp/tp^2)=ħ*Lp/tp^3*c^2
です。
微細構造定数αは、③の電磁力と④のプランク力の比を表わすので
微細構造定数α=③÷④= e^2/(4π*ε0*Lp^2)×tp^3*c^2/ħ*Lp=⑤「e^2/(4π*ε0*ħ*c)」= (1.602176×10^-19C)^2/{4×3.141592×( 8.854187×10^-12)×(1.054364×10^-34)Js×(2.997925×10^8)m/s }=1/137.0091
です。

つまり、1粒の電子と1粒の陽子がプランク距離Lpまで近づいた時の電磁気力の強さは、プランク力の1/137倍となりました。これで、それが無限大ではなくなり計算出来る様になりました。

詳細は、下記のホームページを参照下さい。
http://catbirdtt.web.fc2.com/kurikomirironntohan …

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございました！

お礼日時：2017/06/02 19:56

No.3 ベストアンサー 回答者： tknakamuri 回答日時： 2017/05/25 00:26

近接作用の考え方では

電荷や質量はそのすぐ近くの「場」を作り、
場はそのまたすぐ近くに場を作りながら「伝わってゆく」
と考えます。当然場が出来てゆくのにタイムラグが生じます。

ゴム膜の中央を押すと周辺が歪むが、歪みが伝わるのに
時間がかかるのと一緒です。

きわめて荒っぽい説明ですがこれでわかりますかね。

ニュートンやクーロンはこうした考え方は認めず
物体と物体が直接力を及ぼしあうと考えました。
真空に力が伝わることを認めたくなかったからです。

現在は、場を介して力が真空を有限の速度で伝わることが
認められていますし実証もされています。

この回答へのお礼

お礼するのを遅れて申し訳ありません！
ご回答ありがとうございました！

お礼日時：2017/06/02 19:55

No.2 回答者： ナッキーナッキー 回答日時： 2017/05/24 16:51

「場」の概念は、ファラデーから始まるようです(^^)

磁石や電気の間に力が働く事をファラデーは何かが生じているためではないか？って考えたんですね(◎◎！)
その考えを引き継いで、マックスウェルが、力学・流体力学をモデルとして電磁気学を作り上げました(´∀｀)
そのとき、「電場」、「磁場」がキチンと定式化されたんですね(^^v)
そこから、様々な「場」が考え出され、発展してきたんです(・∀・)

「場」のキチンとした概念的定義はおいといて、「場」を説明しておきます(^^)
まず、力は多くの場合、どのように伝わるかというと、物体と物体が接触している所に伝わるんですね(・ー・)
でも、ごく少数ですが、物体と物体が接触していなくても伝わる力が知られていました(～～;)
それが、磁石の間に働く力、電気の間に働く力、そして万有引力です(－＿－)
じゃあ、これらの力がどのように伝わるかってのが問題なわけですね・・・ほとんどの力は物体と物体が接触しないと働かないのに、何でこれらの力は働くの？って事です(・・?)
ほとんどの科学者は「力が、実際、伝わるんだから仕方ねぇ～べ！」みたいな考えだったんですね・・・
・・・何も無い所を力が（突然）ポーンと瞬時に伝わる・・・これを「遠隔作用」と呼んでいます（・ ~ ・)ノ
で、ファラデーは磁石の間に働く力や電気の間に働く力を「遠隔作用」と考えずに、
磁石や電気が置かれると、その周囲に目に見えない何かができて、それが他の磁石や電気に力をおよぼしているのではないかって考えたんですΣ(￣◇￣；)
この”目に見えない何か”が磁石や電気と”接触”して力が伝わる・・・つまり、電磁気的な力を普通の力の伝わり方に還元しちゃったって事ですね(＠＾－＾)
このような力の伝わり方を「近接作用」と呼んでいます（｀´）ゞ
電磁気学の場合、”目に見えない何か”が「電場」「磁場」になります(^^)

＞なぜタイムラグを補正できるのかがいまいち掴めていない
これは、「遠隔作用」では、時間０で力が伝わるけれど、実際にはそうならない事が分かっている・・・
でも、「近接作用」では、「場」が伝わってこないと力が働かない、そして「場」が伝わるのには時間がかかる・・・
つまり、「場」を考えると、力が瞬時に伝わらない事を説明できるって事です(^^)

参考になれば幸いです(^^v)

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございました！

お礼日時：2017/06/02 19:56

No.1 回答者： yhr2 回答日時： 2017/05/24 12:19

＞唐突に場という概念がでてきて

現代では、万有引力や電磁気学的な力は、「遠隔作用」ではなく「近接作用」（要するに場が伝達する）と考えるのが主流です。従って「概念」ではなく実体です。そうでないと「電磁波」というものの存在も説明できませんから。

「電磁誘導」に関するファラデーの考え方や、それを理論化したマックスウェルあたりの「科学史」をたどてってみてはいかがでしょうか。光を伝達する「エーテル」の仮定や、そこから出てくる相対性理論など、物理学の全体を見渡す機会にもなると思います。

おそらく「場」のギャップとは、高校物理と大学物理のギャップのように思います。

あまり良い本を思い出せませんが、下記あたりが分かりやすかったような記憶があります。
ブルーバックス「高校数学で分かるマックスウェル方程式」
https://www.amazon.co.jp/%E9%AB%98%E6%A0%A1%E6%9 …

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございました！

お礼日時：2017/06/02 19:56