磁力の正体

質問

磁力の正体はなんなのでしょう？

自然界の4つの力の分類のうち，磁力は電磁気力に含まれていますが，
静電気力が＋と-の電荷が引き合う力で
磁力がNとSの磁荷が引き合う力だとしたら，
どうしてこの2つは電磁気力としてまとめられてしまうのですか？

磁力を細かく分析すると元は静電気力だということでしょうか．

電子のスピンが揃うからといってなぜ磁力が生まれるのか，参考書などにもその根源的な部分はなかなか見つけられず，ここで質問させていただきました．

どうかよろしくお願い致します．

回答No.11

noname#175266

全ての論理体系(物理学を含む)は論理学が土台ですが。

質量とは何か？が解明できたところで、新たにわからないことが増えるだけです。
電荷の正体はなんですか？って聞いているようなもん。
これは素粒子物理学でもわかってない。

結局、モノポールもそうだけど存在したら解決？
どうせまたなんで存在するかで疑問だらけ。また質問するんでしょ？
全ては不完全なんですよ。

お礼

分かってないなら「分かっていない」という答えでも聞きたかったのです。
どれが仮定で、すなわち分かっていないことであるかを理解している人のみしか質問してはいけない場ではありませんし、結果みなさんの多方面からの素晴らしい回答をいただけたのであなたからしたらナンセンスだったかもしれませんが質問した意味はありました。
それと仮定を吟味することは物理では大切なことです。

回答No.10

noname#175206

お礼、ありがとうございます。#6です。

　特殊相対論以前の古典電磁気学では、幾つかうまく説明ができていないことがありました。

　たとえば、一様な磁場中に荷電粒子（電子でも陽子でも可）が静止しているとします（真空にし、重力を考えない単純化したモデル）。もちろん、何も起こりません。

　この電荷に、磁力線に対して垂直な向きに初速度を与えて、動かします。磁場がなければ等速直線運動となりますが、磁場があるためローレンツ力により曲線運動となります。

　ここで、観測者が荷電粒子が初速度を与えられるのと同時に、同じ速度で運動を開始したとします。磁場がなければ、荷電粒子は観測者に対して静止したままです。しかし、磁場があるので荷電粒子は曲線を描いて運動するはずでした。すると、荷電粒子は観測者からみて運動するはずです。

　これが古典電磁気学では説明できないのです。実は、別の実験事実により、この状況では『磁場が動いている』とすることができません。一様な磁場中を、どのように等速直線運動しても、磁場が動いているということは関知できません。つまり、磁場が動いているとできる物理現象は起りません。

　すると、古典電磁気学理論では『荷電粒子と共に同じ初速度を持った観測者からすれば、荷電粒子は静止するはず』となります。しかし、元の状況からは『荷電粒子は曲線を描いて運動する』ということも確実です（実際の現象は、こちら）。

　これは、古典電磁気学に特殊相対論を適用すると、すんなりと説明できます。上記の状況はニュートン力学の重要な基礎である『ガリレイ変換』を使ったものでした。特殊相対論では、それに代えて『ローレンツ変換』を用います。

　ローレンツ変換を用いてみると、荷電粒子と共に運動する観測者にとっては、電場が現れます。その電場により、荷電粒子は運動することになります。このことは、電場と磁場が一体であって、不可分なことを示す一例となっています。

お礼

回答ありがとうございます．

なるほど，これはとても面白い話ですね．
荷電粒子にとっての磁場が，観測者にとっては電場という形で現れるのですね．
確かにそうなることはわかりやすく説明してくださったのでとても納得がいきました．
電場と磁場がそのように関連づけられるとは，今初めて知りました．とても参考になりました，ありがとうございます．

回答No.9

noname#175266

因みに、物理学で扱う仮定とは、実験結果です。

モノポール理論も、発見されなければ単なる机上の空論です。
そういう、ものにならない理論が山ほどあるのを知りませんか？
実験事実を説明するのが、「物理学」という学問です。つまり、仮定は実験結果です。
実験結果を反映しない論理は、破綻しています。
実験結果より本質的な部分には入り込めません。

磁力は誰によってどのように発見されたかわかりますか？
正体が知りたいのなら、その根元となる実験結果はどう示しますか？ありますか？

スピンを示す実験結果も、その理由は「わからない」とされていますよね？理論にその仮定を取り入れただけです。
なぜ、わからないもので仮定された質問に答えられますか？
本を読んでも出てこないのは当たり前です。

お礼

回答ありがとうございます．

確かに「論理学」としては仮定から出発して議論するものですから，仮定を議論するのは間違っていますが，物理は実際の現象を議論するものですから，仮定が妥当かどうか議論するのも大切なことかと思います．
また，物理学としてはナンセンスかもしれませんが，単純に疑問に思ったので投稿しました．幼いころは宇宙がなぜ果てがないのかとか，いろいろ疑問に思いませんでしたか？
確かにそういうものは物理を学ぶとナンセンスな疑問かもしれませんね．
勉強不足のため質問してしまいました．

私としては「実験事実を説明するのが、「物理学」という学問」と限定していないので，いろんな仮説を聞いてみたいと思って投稿して，結果みなさんの素晴らしい回答を聞けたので満足しています．

しかし物理を学ぶ上へ仮定を議論してはいけない，というのはこれから頭に置いていこうと思います．よいアドバイスありがとうございました．

回答No.8

noname#175266

論理学からは仮定に言及できないことがわかります。

なぜ仮定を議論し出すか、理解に苦しみます。

マクスウェル方程式のいう仮定は？
スピンの仮定は？
そもそも、電荷とは？

その辺追っていけば、この質問が「ナンセンス」だということがわかります。

お礼

回答ありがとうございます．

私はまだ勉強不足でして，
確かにその辺の仮定をしっかり理解していなかったためにこのような質問をしてしまったのかも知れませんね．
真剣に物理を学んでいる人からしたら腹立たしかったことでしょう．お目汚し失礼致しました．

回答No.7

imoriimori

相対性理論とその帰結（ローレンツ収縮）を受け入れるならば、ですが、まさに「磁力を細かく分析すると元は静電気力」ということになります。
それは次のような説明です。
磁力は磁石とか磁荷とか言ったところで、結局は電流と電流との力に帰着されます。その力を説明するものが磁場なわけですから。ということで、電流と電流あるいは、電線と電線との間の力を次のように考えることになるわけです。
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二本の電線がある。中には電流キャリアとして電子がたくさんある。電子を放出した原子は正電荷であり、トータルな電荷は＋－ゼロ。
電流が流れていないなら、両者の静電気力はゼロ。トータルな電荷は＋－ゼロだから。
電流が流れると、「トータルな電荷は＋－ゼロ」にも関わらず、なぜか電流同士の間に、引きあうか反発するか、力が働く。これが磁力。この「なぜか」を考えねばならない。
電流が流れていると言うことは、電子が移動していると言うことだ。巨大な数の電子だから、電線中の電子移動は低速だとはいえ、相対論的効果を考えるべきであろう。
電流が流れている電線Aの中の電荷として、電子でも原子核（正イオン）でもどっちでもいいが、面倒だから動いていないほう、正イオンを考えよう。この正イオンの一つをA1としよう。A1は、電流が流れている電線Bの中の電荷（電子と正イオン）からどういう力を受けるか。
電線B中の移動している電子はローレンツ収縮により高密度になっている。電線B中の正イオンは動いていないから、ローレンツ収縮は関係ない。ならばA1から見れば、電線B内には電子が正イオンより多数有る。となると、A1は電線Bに引っ張られる。これが磁力だ。
すなわち、磁力は、電荷同士のクーロン力の相対論的現れなのだ。
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昔、何かの物理学の教科書でこういう説明を読みました。納得できるでしょうか。相対性理論とかローレンツ収縮を鵜呑みにしなければならないのがつらいところですが。
もうひとつ、クーロン力（静電気力）の存在も鵜呑みにしなければなりません。もっとも、静電気力の由来はそれ自体、まだ解明されていないから、現象として受け入れるしか無いと思いますが。

お礼

回答ありがとうございます．

知りたいことが凝縮されてて，
とても参考になりました．
静電気力と磁力の関連が，
「磁力は、電荷同士のクーロン力の相対論的現れ」
として詳しく説明できるのですね．
納得です，ありがとうございました．

回答No.6

noname#175206

磁力は電荷の移動によって生じます。これは実験的事実であって、理論物理でも、電荷の移動（電流）と磁力の関係を数式化しているだけです。

　電流は、金属導線でもいいし、電子線（ベータ線）でもいいし、アルファ線（ヘリウム原子核）でもいいし、半導体の正孔でもいいし、水溶液のイオンの移動でもいいです。

　永久磁石だと、分子電流というものだと考えられています。当初は電子の円運動だと考えられていましたが、それでは電磁波を発してエネルギーを失うことから、量子力学でいうスピンという回転のようなものだと考えが改められています。

　電子の一つ一つがミクロな電池いらずの電磁石といったところです。

　普通の物質の普通の状態では、電子のスピンの向きはばらばらです。そのため、平均としては磁気が打ち消し合ってしまい、磁石にはなりません。

　磁鉄鉱は、最初は磁気を持たないものがほとんどですが、容易に永久磁石になりますし、最初から永久磁石として掘り出されることもあります。

　これはもう、そういう物性だと言うしかないのですが、いったんほとんどの電子のスピン（分子電流）が一つの向きに揃うと、それで安定します。すると、ミクロな電池いらずの電磁石が多数揃ったような状態になり、結果としてマクロな永久磁石になります。

　釘などの普通の鉄でも、磁石に接していると磁石になります。ある程度、電子のスピンの向きが揃うことができるわけです。さらに、磁石から鉄を離しても、弱い磁気を持ち続けることもあります。磁鉄鉱ほどではありませんが、ある程度の時期的な安定性があるということですね。

　これらは、全ては電流、あるいは電流のようなものによる現象であるため、N極とS極が不可分です。直線電流だと、導線の周りをぐるっと回る磁場になり、どこでもN極とS極になります。

　これらに対し、未発見ですが、モノポールと呼ばれるものが存在する可能性があります。Nだけ、あるいはSだけの磁石の素粒子です。

　それが存在した場合に書き直した理論式、たとえばマクスウェルの方程式がもうできていたりして、理論屋さんは仕事が早いといいますか、なんと申しますか。

お礼

回答，ありがとうございます．

＞理論物理でも、電荷の移動（電流）と磁力の関係を数式化しているだけです

たしかにマクスウェル方程式は関係は明らかにしていますが，そのメカニズムまでは触れていないのですね．

また，モノポールが存在しない理由も非常に納得のいく話で参考になりました．もしこれから存在するということになったら，電流とはまた別の要因も考えられそうですね．
ありがとうございました．

回答No.5

noname#175266

一回、論理学を学ぶことをお勧めします。

お礼

アドバイスありがとうございます．

よろしければ参考にしたいので理由を教えて下さい．

回答No.4

leo-ultra

＃１です。

> やはり現在では，マクスウェル方程式で結びつくということや，観測的事実から電気と磁気が結びついているということのみで，その原理的なことはわかってない，ということですね．

質問者のおっしゃる「その原理的なことはわかってない」の原理的なこととはなんでしょうか？

少なくとも現在の物理学においては、
　古典力学では、ニュートン方程式
　古典電磁気では、マクスウェル方程式
　量子力学のシュレディンガー方程式、
　...
が「原理」です。

例えば、古典力学に限定すれば、全ての現象はニュートン方程式で説明できるはずなので、
「原理」は明確にわかっています。

それではなぜそれらの方程式が成立するのかについては、現在の物理学は答えることはできません。
高名な学者でもそれは神様が決めたのだというのが答えです。

－－－ちなみに最初の質問「磁力の正体」に対する答えとして、

原子１個が磁石の性質を持つと知られています。電子は原子核の周りを軌道運動をしますが、
電荷をもったものが運動すると磁場を発生させます。
つまり、磁力の元は電子の運動です。

お礼

引き続き回答ありがとうございます．

「原理的」という言葉の使い方がまずくて混乱を招いてしまい申し訳ありません．確かに原理というと，

古典力学では、ニュートン方程式
　古典電磁気では、マクスウェル方程式
　量子力学のシュレディンガー方程式、

ということになりますよね．
私としては磁力が生じる理由，
すなわち「磁力の元は電子の運動」というならば
「なぜ電子が運動すると磁力が生じるのか」
という意味で申し上げてしまいました．

回答No.3

uzu_sp

非常に重要な質問だと思います。
私も量子的に考えています。

電子が空間を相対的に移動すると進行方向を後ろから見て反時計回りに磁界の円が出来ます。

＜仮説ですが・・・＞

真空は電子と陽電子の結合状態と思っています。
その電子、陽電子もスピンしていますが、真空のエネルギーが０なのがスピンがないときです。
少し論理飛躍しますが、エネルギーを持った真空は極僅かな質量をもっていることになりいます。（説明は省略します）
この問題は難しいですが、電子が移動するときの周りの真空を構成している電子、陽電子スピンによる電界流の可能性があります。
気になっていた問題ですが、私自身詰めれていませんが、量子力学を説明するキーポインドだと思います。
お互い頑張りましょう。

お礼

回答ありがとうございます．

なるほど，真空にはすでに電子と陽電子の結合状態という場が存在していて，電荷が移動するとそれを乱す，といったイメージでしょうか．
それはかなり面白いと思いました．
自分も単純なモデルではどうも行き詰っていたので，このような考えを聞くことができて嬉しく思います．
だいぶ間抜けな質問をしたと思っていたのですが
少し自信が持てました．
ありがとうございました．

回答No.2

shintaro-2

>電子のスピンが揃うからといってなぜ磁力が生まれるのか，参考書などにもその根源的な部分はなかなか見つけられず，ここで質問させていただきました．

物理学の分野において、根源的なものは何も判明しておりません。

大抵の理論は、「＊＊＊と考えれば説明がうまくできる」というだけの話であって、そもそも「何故そのような『もの』が存在するのか？」というのは絶対に判らないものです。それを定義するのは哲学や宗教の仕事です。

お礼

回答ありがとうございます．

たしかに突き詰めれば「何故そのような『もの』が存在するのか？」という疑問にいきつき，答えが分からなくなりますよね．

しかし質問ないようのもう一歩踏み込んだとこ程度ならなにか仮説でもあるのではないか，と思い質問させていただきました．

ありがとうございました