磁力はいかにして物体に作用するのでしょうか。

質問

素朴な疑問です。

　ボールが飛んできてバットで打ち返される場合、飛んでくるボールと振り回されるバットが「衝突」することで運動エネルギーの交換が行われているのだと思います。「衝突」とは、眼で見たままの現象的な表現ですが、物体に弾性が構造化されているから生じる現象だろう思っています。

　ところで、バットとボールを磁石に置き換えて、上の場合の運動エネルギーの代わりに全く同じ量の磁気エネルギーで磁石同士を反発させた場合、磁石同士は、「衝突」することなしに反発して磁気エネルギーの一部を運動エネルギーに「変換」しているように見えます。

　疑問に感じるのは、磁気エネルギーは、どのようにして慣性質量をもった物体に運動エネルギーと同等に作用できるのか？ということです。物体の分子間結合力は電子間の相互作用でしょうが、これが物体の弾性のことであるとしますと、磁気は、この分子間結合という、いわば電子の強固な網の目の結び目ひとつひとつに発生しているであろう磁場のネットワークへ直接に反発力を伝えているのでしょうか。（仮想です）

　もう一つの素朴な疑問は、磁石という物体自体が、そもそも慣性質量をもっている、いわば運動エネルギー体であり、かつ同時に磁気エネルギーを放出しているわけですが、この磁気エネルギーは、物体の外部空間を通りながらＳ極からＮ極へと流れていますが、空気などの物質に作用していくらかはエネルギーが変換されるのでいつかは、磁場は消失するのでしょうか？

　マックスウェルの電気と磁気の方程式は驚きですが、あくまで電気と磁気の関係性を表現しているだけで、両者を統合して新しい概念へ拡張するところまではいっていないような気がします。中学や高校や教科書を見ましても、素粒子の構造は機械的でイメージしやすいのですが、磁気となると電子の振る舞いのせいに留まった表現に終始しているようで、電子と空間の関係なのか、電子そのものの性質なのか、どうも歯に何かが挟まっているようでいけないのです。電流が流れれば、磁場が発生するというのは、現象を記述しているだけで、応用の手掛かりとしては発電機かモーターしかつくれません。

　まとまりのわるい文章ですいません。
　少しでも、何か教えていただければ、頭痛の種が減ります。

　素朴な疑問ですが、

回答No.2

中村 拓男（@tknakamuri）

うーん、質問が難しくて答えづらいのですが
断片的に答えてみます。

1) 磁気から運動エネルギー

電荷や磁気モーメントが磁気から「力」を受け取ることは
古くから分かっていますので、磁気で磁石が動くのは当然と
思いますが

そういう話ではない？

2) 磁石と磁気エネルギー

磁石を磁気エネルギーの流れを作り出すものと
お考えのような気がするのですが、静磁場にエネルギーの
流れはありません。静電場と似たようなものと考えるべきです。

3) 電場と磁場の関連性

電場と磁場の関連性を明らかにしたのは特殊相対性理論です。

「特殊相対性理論」というと巷間では時間と空間のパラドックスの
話ばかりですが、アインシュタインが言いたかったことのメインは
こっちです。是非目を通すことをお薦めします。

お礼

ご回答ありがとうございます。
　磁石であれば、永久磁石でも電磁石でも、Ｓ極同士あるいは、Ｎ極同士なら反発して、磁石自体が運動します。一方、Ｓ極とＮ極は引き合ってくっつきます。そうした現象における磁力の物質への作用のメカニズムはどうなっているのかな？というのが、そもそもの疑問です。

　たとえば、隕石同士の衝突のように物体と物体との衝突が、衝突面の分子レベルでの電子同士の作用があるのだろうなあ、とはおよそイメージしているのですが、磁石同士の反発は、磁石同士の表面は接触せずに反発しているように見えます。これは、磁力と磁石（フェライトなど物質）の電子との相互作用なのか、あるいは磁力同士の反発作用なのか、このあたりの整理がつかないのです。磁力によって物体である磁石が運動したとすれば、磁力が運動エネルギーに変換されたと見てよいのでしょうか。電動モーターが動くのも磁力で磁石を反発あるいは引っ張っていることだとは思いますが、わからないのは、磁力がどうやって磁石を運動させるに至っているのかのメカニズムです。

回答No.1

雪中庵（@psytex）

それは重力も同じです。
実は、あなたが指摘している「物体同士の衝突」も、その
双方の物体の、外側の原子の最外殻電子同士の反発に
よって「運動量を伝え」ているので、あなたが疑問視して
いる遠隔作用しかない、と言えるのです。

電磁作用や重力以外にも、電磁気力や核力（原子核の中
の陽子と中性子の間ではたらく）など、複数の遠隔作用が
存在します。
その特徴は、「力」とは言いながら、それを媒介する素粒子を
交換することによって生じる、という点が共通です‥‥重力は
重力子、電磁気力が光子、核力が中間子、といった具合に。

なぜキャッチボールすると力がはたらくのかというと、この
ボールは、確率的な広がりを持っており、実際に投げる
交換というより、その確率的な交換＝２つの場所で同一の
媒介粒子が安定する時、その「２つの場所」が近い方が
確率が高くなるので、引き寄せようとする力が働くのです
（というより、その「場所」も不確定的な広がりを持っていて、
近い方が確率的に高くなる）。
要するに、１つの媒介粒子がフタマタをかけて、２ヶ所で
実体化しようとする時、「フタマタ」を引き寄せた方が楽だ、
という話で。
逆に、そのボールをいらない場合は、反発力になります。

そして、現象的には複数ある遠隔作用も、原理的には、
超弦理論において、そうしたたくさんの素粒子が、量子
という１つの基本粒子の振動状態として導かれる事で、
その「リー群例外群Ｅ8ｘＥ8空間における量子相互作用」
１つのみに還元されます。

お礼

ご回答ありがとうございます。
量子力学的な説明をいただきありがとうございます。まさにそのとおりであると思います。近頃は、原発問題が注目されていますが、火力にしろ水力にしろ風力にしろ原発にしろ、運動エネルギーでダイナモを回して電磁誘導により電気に変換する方法は変わらないですね。もっとスマートに大電力を得る方法があればいいですが。太陽光発電は、光電効果でしょうか。効率はよくなりつつあるようですが。
磁力よりも重力のほうが、遠隔作用としては距離も無限大で驚異的ですが、ヒッグス粒子をうまくコントロールできるようになれば巨大なタービンも自転車で回せたりできるかもしれませんね。空間の重力歪エネルギーを電気へ変換できればいいですが。