EMANの物理学 過去ログ No.2777 〜

 ● 力を伝える粒子について

  投稿者:ちびちゃん - 2007/10/09(Tue) 11:13  No.2777 
はじめまして。 ちびちゃんです。

ずっと疑問にもっていることがあります。
力の伝達についてです。

電磁気力は、光子の交換により伝わると言われています。
弱い相互作用による力は、弱ボソン、核力は、湯川さんが
予言した中間子といわれています。

どうしてこのような解釈をするようになったのでしょうか?
最初にこのような着想を持った人は誰でしょうか?

関連して、疑問点です。
例えば、2つの電荷の間に電気力が働きますが、これは、光子の交換によるものと解釈するのでしょうが、光子は、電磁波なので磁気も含みます。一方、電荷間は、電場のみです。
磁気は、どうなるのでしょうか?

素朴な質問ですが回答よろしくお願いします。


  投稿者:ハーちゃんスーさん - 2007/10/09(Tue) 11:36  No.2778 
はじめまして。

>>電磁気力は、光子の交換により伝わると言われています。
>>弱い相互作用による力は、弱ボソン、核力は、湯川さんが
>>予言した中間子といわれています。
>>どうしてこのような解釈をするようになったのでしょうか?
>>最初にこのような着想を持った人は誰でしょうか?

うーん、私も難しい話はわからないのですが、素粒子などの
世界では、簡単にいえば、
・最初に理論(それは、相対性理論と量子力学を基礎にした
理論)で、問題とする現象で、その素粒子が存在していたらど
うなるか、ということを予想する
・その理論の予想と現実の現象が合うか、実験で確認する
ということで確認されていると思います。

ちなみに、弱い力については、最初は、フェルミという物理学
者が、ベータ崩壊という中性子が陽子や電子、ニュートリーノ
に崩壊する現象について扱った理論で予言されました(1930年代)。そして、1960年代になって、グラショウ、ワインバーグ
およびサラムという物理学者が作った電弱統一理論で、弱ボゾ
ンの存在が予言され、1990年前後、実験で、その存在が確認さ
れています。

核力については、湯川秀樹の中間子論(1930年代)ですが、これ
は、1940年代に実験的に確認され、それで湯川秀樹はノーベル
物理学賞を受賞しました。
なお、現在では、核力の原因は、中間子より、グルーオンとい
う粒子とされています(陽子、中性子や中間子は、クォークで
構成されている粒子とされている)。

>>例えば、2つの電荷の間に電気力が働きますが、これは、光子の交換によるものと解釈するのでしょうが、

まあ、そんな感じですね。

>>光子は、電磁波なので磁気も含みます。一方、電荷間は、電場のみです。
>>磁気は、どうなるのでしょうか?

特殊相対性理論によって、磁気は、電荷をもった粒子(電子や
原子核)が運動することで発生する、ということになっていま
す。


補足

>>電弱統一理論

これは、電磁気力と弱い力とを一緒に扱った理論です。
核力(「強い力」とも言う)を扱うのは、現在では、量子色
力学という理論です(現代では、湯川秀樹の中間子論は、こ
れの近似理論となります)

  投稿者:ちびちゃん - 2007/10/09(Tue) 15:34  No.2782 
ちびちゃんです。

ハーちゃんスーさん
回答ありがとうございます。

>・最初に理論(それは、相対性理論と量子力学を基礎にした
>理論)で、問題とする現象で、その素粒子が存在していたら
>どうなるか、ということを予想する
>・その理論の予想と現実の現象が合うか、実験で確認する
>ということで確認されていると思います。

力が媒介粒子のやりとりでおこるということが必然であるのか? ということが疑問として、ずっとありました。
他の考え方がないのかということです。
でもそれを仮定すると つじつまがあうということなのですね。   よくわかりました。

>>光子は、電磁波なので磁気も含みます。一方、電荷間は、電場のみです。
>>磁気は、どうなるのでしょうか?

>特殊相対性理論によって、磁気は、電荷をもった粒子(電子や
>原子核)が運動することで発生する、ということになっています。

電荷間の力は、電気力であって、マクロ的には、磁気がありません。(静止しているので、磁気の発生がありません。)

ということで、電荷(電子とします。)の間で光子をやりとりしていると考えた場合、光子の電場成分は良いのですが、磁場成分は余計な感じがします。

とここまで書いたところで、電子スピンによる磁気成分がありましたね。 深く難しい何かがありそう。

結局、QEDを勉強しないと ピントがはずれたことを言っているかもしれないですが。

>これは、電磁気力と弱い力とを一緒に扱った理論です。
>核力(「強い力」とも言う)を扱うのは、現在では、量子色
>力学という理論です(現代では、湯川秀樹の中間子論はこ
>れの近似理論となります)

大統一理論 というやつですね。
  陽子が崩壊するとか。


  投稿者:ちびちゃん - 2007/10/09(Tue) 15:37  No.2783 
ちびちゃんです。

大事なことが 抜けていました。

>電荷間の力は、電気力であって、マクロ的には、磁気があり
>ません。(静止しているので、磁気の発生がありません。)

静止している電荷間の力を前提にしています。


  投稿者:sym - 2007/10/09(Tue) 16:34  No.2784 
>どうしてこのような解釈をするようになったのでしょうか?

かの有名な光電効果の論文における「光は粒のように振舞う」との指摘からでしょうか。

>最初にこのような着想を持った人は誰でしょうか?

そうすると、それはアインシュタインってことになるでしょうか。

  投稿者:明男 - 2007/10/09(Tue) 17:55  No.2785 
はじめまして。明男と言います。

古典的には素粒子(物質)と力の伝わる空間(場)が全く別物と考えられていた時代から、場の量子化にともない、「場」と粒子にある意味の「同一視」が行われ、「場」の存在と、「場」を作り出す粒子の存在に区別が無くなったのだ、と思います。交換力は明らかに量子力学によって初めて説明されるものであり、類似の発想は多くあったかも知れませんが、その嚆矢はやはり、わが湯川博士だと考えます。
ところで、電磁場を量子化して得られる、いわゆる「仮想光子」は実光子と全く同じとは言えません。電荷間にクーロン力が働くとき、間を電磁波が飛び交っているわけでなく、この仮想光子が交換すると考える訳ですが、それは決して観測されず、短時間しか存在できません。
場としても電場・磁場ではなく、むしろ(四元)ベクトルポテンシャルとして現れ、ちょうど電磁場が観測されなくとも、電磁相互作用が存在するように、力が働く、逆にそういうものが「場」の本質であると考えた方が良いのではないでしょうか。
静電場を考えるなら、第0成分のみ(静電ポテンシャル)のみと考えれば、磁場の存在は(必要)ありません。
Wボソンにしても、グルーオン(こちらは自由粒子にはならない)にしても、同じことが言えると思いますよ。

  投稿者:ハーちゃんスーさん - 2007/10/09(Tue) 18:07  No.2786 
こんにちは。

QEDに詳しい人に、ちょっと、質問します。

電磁力の引力、斥力のメカニズムを、電子-陽電子間(あるい
は電子-電子)間で、光子の交換ということで考えると、

引力 ・・・ 電子側:光子の放射、陽電子側:光子の吸収
斥力 ・・・ 電子1側:光子の放射、電子2側:光子の放射

で良いのでしょうか?

よろしく、お願いします。

  投稿者:EMAN - 2007/10/09(Tue) 18:08  No.2787 
 色んな意見が出てきたので、そこにまぎれて別意見を書かせてもらいます。


> 最初にこのような着想を持った人は誰でしょうか?

 おそらくはディラックなのではないかと思います。
 QEDと言えばこの人って感じですから。

 しかし量子論の多体系への応用を目指していたのは一人ではありませんから、ただ一人の着想によって突如開かれた理論だとは言えないかも知れません。

 QEDと言えば量子力学の先にある話のようですが、歴史的にはどうも量子力学が一通りの完成を見るより前のかなり早い内から、量子力学と並行して発展してきたもののようです。


> 磁気は、どうなるのでしょうか?

 どうなるとはどういうことなんでしょう? 光は電場と磁場の振動ですが、電荷を運びません。 また同様に磁荷を運ぶ事もありません。 エネルギーや運動量なら運びます。

 電磁波を受けた電荷が振動することはご存知でしょうが、これは
光が電荷に運動量やエネルギーを与えた結果だと説明する事も出来ます。



> 磁場成分は余計な感じがします。

 そもそも、電磁波で電場と磁場はワンセットですからね。 どちらかだけを送るなんてこと出来ませんし。


 そう言えば時々、トンデモ系の電磁波防止グッズの説明でこんなのを見かけたりして眉をしかめてしまいます。

「電磁波の電場成分は簡単に除去できますが、磁場成分は除去が難しく、従来の製品ではそれが出来ていません。 人体に有害なのはその磁場成分の方なのです。」

 そういう時、すぐに笑い飛ばすことが出来ずに、自分の知識を必死で再確認する自分がいます。


  投稿者:ちびちゃん - 2007/10/09(Tue) 18:25  No.2788 
ちびちゃんです。

回答ありがとうございます。

>古典的には素粒子(物質)と力の伝わる空間(場)が全く別
>物と考えられていた時代から、場の量子化にともない、
>「場」と粒子にある意味の「同一視」が行われ、「場」の存
>在と、「場」を作り出す粒子の存在に区別が無くなったの

粒子と場の区別がなくなるという考え方ですか。
一種の統一、抽象化ですね。 面白いですね。

>だ、と思います。交換力は明らかに量子力学によって初めて
>説明されるものであり、類似の発想は多くあったかも知れま
>せんが、その嚆矢はやはり、わが湯川博士だと考えます。
>ところで、電磁場を量子化して得られる、いわゆる「仮想光
>子」は実光子と全く同じとは言えません。電荷間にクーロン
>力が働くとき、間を電磁波が飛び交っているわけでなく、こ
>の仮想光子が交換すると考える訳ですが、それは決して観測
>されず、短時間しか存在できません。
 
 電磁場が飛び交っているというイメージを持ってしまいます。仮想光子、不確定性原理により、短い時間なら存在するというものですね。  この発想にも驚きます。
しかしこれに基づいて計算するとうまく実験結果と合うそうですね。朝永さんの理論もこれに関係あったそうな???

>場としても電場・磁場ではなく、むしろ(四元)ベクトルポ
>テンシャルとして現れ、ちょうど電磁場が観測されなくと
>も、電磁相互作用が存在するように、力が働く、逆にそうい
>うものが「場」の本質であると考えた方が良いのではないで
>しょうか。
>静電場を考えるなら、第0成分のみ(静電ポテンシャル)のみ>と考えれば、磁場の存在は(必要)ありません。
>Wボソンにしても、グルーオン(こちらは自由粒子にはなら
>ない)にしても、同じことが言えると思いますよ。

 なかなか面白そうです。 QEDを勉強してみたくなりました。

  投稿者:ちびちゃん - 2007/10/09(Tue) 19:00  No.2789 
ちびちゃんです。

EMANさん
はじめまして。

回答ありがとうございます。

>しかし量子論の多体系への応用を目指していたのは一人では
>ありませんから、ただ一人の着想によって突如開かれた理論
>だとは言えないかも知れません。

そのようですね。核子間の力の媒介粒子も 湯川さんの前に、電子と仮定した論文も発表されていたそうですし。
(ハイゼンベルグだったかな??)

>QEDと言えば量子力学の先にある話のようですが、歴史的には>どうも量子力学が一通りの完成を見るより前のかなり早い内
>から、量子力学と並行して発展してきたもののようです。

>> 磁気は、どうなるのでしょうか?

> どうなるとはどういうことなんでしょう? 光は電場と磁

ガーんです。 恥ずかしい質問でした。
 (でも これまでの思い込みを解消させることができました。ありがとうございます。)

 電気力は、電場成分をもつ粒子が、磁気力は、磁気成分を持つ粒子が交換されるものだと思い込んでいました。

>場の振動ですが、電荷を運びません。 また同様に磁荷を運
>ぶ事もありません。 エネルギーや運動量なら運びます。

  まったくそのとおりです。

> 電磁波を受けた電荷が振動することはご存知でしょうが、
>これは光が電荷に運動量やエネルギーを与えた結果だと説明
>する事も出来ます。

まさに、光電効果がそうですね。

>> 磁場成分は余計な感じがします。

> そもそも、電磁波で電場と磁場はワンセットですからね。
> どちらかだけを送るなんてこと出来ませんし。

とすると 電磁波と電子が相互作用するというのは、光電効果などに代表されるように、よく理解できるのですが、どうして、クーロン力が光子(all 仮想光子?)の交換によることがわかったのかが 依然として、わからないです。

 ただ、最初に考えた人は偉いなと思うのです。


  投稿者:ハーちゃんスーさん - 2007/10/09(Tue) 19:30  No.2790 
>>大統一理論 というやつですね。
>>  陽子が崩壊するとか。

あ、それはまた、違う理論です。
それは、電磁力、弱い力、強い力の3種を統一的に扱う理論とされるもので、まだ「未来の理論」といえる理論です。

物理理論には、それぞれ「適用範囲」があります。
だから、現象に応じて、いろいろな理論が必要になります。

  投稿者:sym - 2007/10/09(Tue) 23:46  No.2791 
>明男さま
私の場合、交換力といえば化けて出るものだという、そういうイメージを持っています。区別できないものを区別したために生まれ出た、力ではない力(人ではない人、即ち、お化けのような存在)のようなものではないかと思っています。

文脈が違っていたら、ごめんなさい。

粒子の受け渡しによって力が伝達するという描象について。
キャッチボールを思い浮かべるのは簡単で、わかりやすい説明だという気がするけど、誤解を受けやすい説明でもあるなと思います。湯川博士にノーベル賞が授与されたときは、日本中がその授与に熱狂したと聞き及んでいます。そのときに為された、業績の「わかりやすい」説明が独り歩きして、その弊害だけが残っているのではないかと疑っています。

これほど、高度で抽象的な物理理論が一般の人に知れ渡ったのは、やはりノーベル賞の功績でしょうか。
今年は巨大磁気抵抗の発見に対してノーベル物理学賞が送られたそうですね。

  投稿者:明男 - 2007/10/10(Wed) 00:58  No.2793 
>symさん
人のイメージを想像することは難しい、というより、理解不能かもしれません。
確かに、素朴なキャッチボールのイメージは実は最も遠い理解に繋がりかねません。それは理解ではなく、分かった気にさせる卑近な例だからですが、では波動関数の干渉項を実際に計算してそれがポテンシャルのアトラクティブな効果と同等であることが示せたとしても、真の意味が理解できるかというと、それもまた便法に過ぎません。
しかし、力学もましてや量子力学や相対論の初歩も知らない一般の人々にイメージを湧かせる例としてあげるとき、「嘘」と「方便」は区別しなければなりません。例えばこの世界には神秘な波動があって、人間の感知しえない力で運動が起きる、と言ったら、これは現代科学では「嘘」ですが、観察できない粒子を交換して力(作用)が伝わる、は方便です。何処が違うの?ってくらいのもんですが、後者は科学的に吟味された事柄を正確さを犠牲に平易に表しているものだということです。結局、素養無しに理解することは無理だし、さらに先へ進む人は自分で正解を見つけるしかないでしょう。ただ、どうせ分からないだろう、という態度は論外です。少しでも良い方便を、より真実に近い表現を提供することも、専門家に課せられた責務だと思います。自覚していない方々が多いようですがw。
まあ、私見ですので、異論もあるでしょうが。。。

ところで、お化けは案外、遠からぬイメージですね。もともとゲージ理論で表れるヒグス粒子の原型は南部ゴーストボソンですから、お化けであります(笑)。

  投稿者:sym - 2007/10/10(Wed) 04:22  No.2794 
明男さん。
交換相互作用や相関相互作用の事を指して交換力というのかと思っていたのですが、力を媒介する量子を交換するという意味で交換力という言葉を使っても良い気がしてきました。(一般的には後者の意味で使われることのほうが多いようですね。)
うーん、でもやっぱり具体的に例えば「光子を交換する」と説明されるとなんか許せないです。というか、こんな説明に納得する人がいるんでしょうか。良くて?不思議な考え方もあるものだなと感心される程度だと思います。でも実のところ、正しい説明を見つけたいというのが私が物理をやる動機でもあるので、不思議さと面白さが伝わるのなら教育上それで良いのかもしれません^^

  投稿者:TOSHI - 2007/10/10(Wed) 06:28  No.2795 
 ども、symさん、TOSHIと申します。

>具体的に例えば「光子を交換する」と説明されるとなんか許せないです。

 でも,まあ、力を近接作用で説明しようとした努力の現われという意味では遠隔作用で説明されるよりはましかと思います。

                  TOSHI

  投稿者:hirota - 2007/10/10(Wed) 12:52  No.2797 
ファインマングラフを見ると、モロに光子を交換してますね。
どっちから放出してるか吸収してるかの区別が無く、実在して飛ぶ光子じゃないから電場の振動がない(だから磁場の振動もない)のが想像を絶してるけど。

  投稿者:ハーちゃんスーさん - 2007/10/10(Wed) 13:16  No.2800 
「お化け」も、virtualな存在と思うが、それが、人によっ
て、あるいは、時によって、visualな存在として見えると、
いうわけですね?

  投稿者:大学生A - 2007/10/10(Wed) 15:37  No.2801 
hirotaさんへ

> どっちから放出してるか吸収してるかの区別が無く、
>実在して飛ぶ光子じゃないから電場の振動がない
>(だから磁場の振動もない)のが想像を絶してるけど。

そーなんですか。
では、素人の疑問で恐縮ですが、そのような粒子をなぜ、
「光子」と称しているのでしょうか?
どういう共通点から、一般的な「光」と同じ名前で呼ばれる
のでしょうか?

  投稿者:hirota - 2007/10/10(Wed) 17:31  No.2803 
>なぜ、「光子」と称しているのでしょう
実体化するエネルギーがないから、時間とエネルギーの不確定性により存在する、観測できない仮想粒子になってるだけで、「光子」以外の何者でもないからです。
エネルギーがあれば、確定したエネルギーを持って恒久的に存在する普通の「光」として出ます。

  投稿者:大学生A - 2007/10/10(Wed) 18:46  No.2804 
hirotaさんへ

>実体化するエネルギーがないから、時間とエネルギーの
>不確定性により存在する、観測できない仮想粒子になっ
>てるだけで、「光子」以外の何者でもないからです。

なるほど。「実体化」するかしないかの違いですか。
「実体化」の概念が良く解からないけど、これは、
私が勉強して克服する問題ですね。w
返信していただき、ありがとうございました。m(_ _)m

  投稿者:ハーちゃんスーさん - 2007/10/10(Wed) 18:58  No.2805 
明男さん、TOSHIさん、symさん、こんばんは

>具体的に例えば「光子を交換する」と説明されるとなんか許せないです。

電磁気学、相対論や量子論などの世界のものは、けっこう、
抽象的なものというか仮想的(virtual)なものという感じで、
それを「たとえ話」で説明するというのは、一種の視覚化
(visual)だと思いますが。

抽象的・仮想的なものを理解するには、結局は慣れしかないと
思うけど、それとともに、日常の具体的な現象や「たとえ話」
で考えたり説明したりするのが有効かな、と思います。
(現代では、ITやビジネスなどの世界でも、抽象的・仮想的な
ものが多いですからね)

  投稿者:ハーちゃんスーさん - 2007/10/10(Wed) 19:08  No.2806 
補足

でも、「たとえ話」は、あくまでも「たとえ話」であって、抽
象的・仮想的な実体、そのものでないことである注意や断りも
必要ですよね?

  投稿者:hirota - 2007/10/12(Fri) 00:18  No.2815 
>「実体化」の概念が良く解からない
仮想粒子:時間とエネルギーの不確定性により存在
実体化:確定したエネルギーを持って恒久的に存在
(文脈から分かるようにしたつもりでしたが、だめでしたか)