近接作用と遠隔作用

質問

高校の物理の教科書によれば「静止した二つの電荷q1, q2の間にはクーロン力
　F = - q1・q2/(εr^2)
が働く。また電場Eの中の電荷q1には F=-q1E の力が働き、電荷q2の作る電場は
　E = q2/(εr^2)
で与えられる」というような説明だったと思います(手元に高校の教科書がないので確かめられませんが)。私はこのような説明の仕方は不適切であると考えます。このような説明ではほとんど全ての人が電場はクーロン力の単なる言い換えであり、ほとんど違いはないと考えてしまうでしょう。電場は「場」を実体と考え、荷電粒子同士が直接相互作用するのではなく、粒子と場が相互作用すると考える近接作用の理論です。近接作用論が自己相互作用にまつわる多くの困難にも拘わらず遠隔作用論に勝利をおさめたことを教えることは、宇宙の見方が天動説から地動説に変わったことを教えるのと同じくらい(あるいはそれ以上に)重要なことではないかと思います。近接作用論が正しい根拠として私が挙げることができるのは
1. 遠隔作用では相対論と適合させることが難しいこと
2. 近接作用と遠隔作用が異なる答えを与えるような問題では、実験は近接作用を支持している(例えば電子は自己相互作用によって異常磁気能率を持つ)
といったところですが、これ以外に電荷や電流で作られたのではない電磁場があり、そのような場の中で荷電粒子がローレンツ力を受けることが示せれば場が独立した実在である証拠になるのではないかと思います。マックスウェル方程式は電荷や電流が０でも電磁場は０でない解を持っています。電荷や電流はなしで(磁気単極子もなしで)電磁場だけ存在すると考えられるような例はないでしょうか。高校で近接作用と遠隔作用の違いを曖昧なままにしておくことは天動説を教えるようなものだといったら言い過ぎでしょうか。

回答No.3

kochory

#1です。

一度、遠隔作用だけで考えたときに、発信機における
電子の移動が受信機の電子にどれだけ影響を与えうるのか
計算してみてください。
近接作用説に基づく場の考えがなければ、発信機から
受信機へのエネルギーの移動が説明できないことが
ありありと実感できると思います。

いたずらに難しいことを考えずとも、電磁場の実在を
示す現象など身の回りにいくらでもあるのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。電磁場とポテンシャルは
　E=-gradφ-∂A/∂t,　 H=rotA
という関係で結ばれているので、自分以外の荷電粒子に与える影響はどちらで計算しても同じで、自己相互作用を考える時のみ違いが出てくるのではないでしょうか。遠隔作用論者は「間に何かがあるという証拠を示せ」というと思います。

回答No.2

onakyuu

大学以前の物理学では静電場の近接相互作用の
概念は電気力線を通して説明されていたような
気がします。これは大学に行くとマクスウェル
の応力に拡張されます。

電場については重力における位置エネルギー
すなわちポテンシャルとして与えられ、高校で
はあまり場の概念には踏み込まないようです。
電場を本質として扱わないのは E = q2/(εr^2)
がr->0で発散してするのを気にする生徒に対応
できないと考えているからではないでしょうか。

また問題が解く時には、
F = - q1・q2/(εr^2)
の方が便利なことも多いですしねえ。

お礼

ご回答ありがとうございます。まず電場の電荷に及ぼす力を F=q1E に訂正させて頂きます。
　電気力線はすぐれた考え方ですが、模型であるという見方もあるではないでしょうか。模型があまりにもうまく働く時には実体である可能性が高くなると考えることはできるとおもいますが。点電荷の電場が発散することは、まさに気が付いて欲しい所です。矛盾を隠してしまうことは正しい科学的態度を養うことにならないように思います。

回答No.1

kochory

電磁波の発信機と受信機の間の空間にはなにもありませんが、
電磁場はそこにも存在し、発信機における電磁場の変化が
受信機に伝わります。
この事実の発見が近接作用説の正しさの直接の証明になりました。

高校生にも電磁波について説明すれば十分だと思います。
テレビ、ラジオ、携帯などの技術の基盤となっている
現象ですので、興味もつかみやすいかと思います。

お礼

御回答ありがとうございます。「間に何もなくても伝わる」というのは近接作用よりむしろ遠隔作用的な見方ではないでしょうか。近接作用であることを言うためには「間に何かがある」ことを言う必要があります。そのためには
　1. 電磁場はエネルギー、運動量、温度、圧力、質量
　　などの物理的特性を持つ
　2. 電荷や電流がなくても電磁場は発生し得る。
ことが言えれば良いと思います。２の候補としてUnruh効果などが考えられると思いますがいかがでしょうか。