物理学用語の本当の意味を理解する: 力と場の概念

冒頭挨拶

20 世紀哲学の重要な分野である分析哲学は、言語の研究を哲学の中心に据えています。分析哲学の代表者であるウィトゲンシュタインは、哲学は日常言語の誤った使用の結果であると指摘しました。誤りは議論の命題とその論理的関係にあるのではなく、議論で使用されている言語にあります。物理学では、言語の使用も同様に重要です。

科学研究において、科学者は新しい自然現象を発見したり、新しい科学的概念を提案したりするたびに、その現象に名前を付ける固有名詞を作成します。良い名前は人々にその言葉の意味を理解してもらうのに役立ちます。複雑な現象や難しい概念も、直感的でわかりやすい名前のおかげで記憶に残ります。いくつかの科学用語は魅力的で、人々の好奇心や探求心を刺激します。名前が良くないと、誤解されたり、読む気が失せたりする可能性があります。

固有名詞を作成する場合の原則の 1 つは、物事の本質を明らかにしたり、最も重要な特徴を指摘したりすることです。新しいものが初めて現れたとき、科学者は当時の理解に基づいてそれに名前を付けます。しかし、科学の継続的な発展により、場合によっては当初の理解が正しくなく、使用される用語が誤解を招く可能性が高くなります。しかし、この用語は広く使用されているため、変更するのは容易ではありません。このような状況は科学の歴史ではよくあることです。

近代科学は西洋で始まり、科学用語のほとんどは西洋の形で初めて登場しました。中国語に翻訳するときは、正確かつ簡潔であることが重要です。翻訳の方法は、自由翻訳と音訳の2つだけです。中国語の科学用語のほとんどは直訳されています。物理学における例をいくつか挙げると、電子は文字通り荷電粒子、より正確には単位負電荷を持つ基本粒子を意味します。中性子は原子核内の電気的に中性の粒子です。陽子という言葉は原子核の質量の大部分を集中している粒子を意味しますが、実際には原子核内の中性子と陽子の質量は非常に近いです。

音訳された名詞の意味は直感的ではありませんが、不必要な文字通りの解釈を避けられるという利点があります。いくつかの概念は複雑な意味を持ち、簡単な言葉で要約することが困難です。代わりに、音訳の方が効果的です。たとえば、quark は英語の単語 Quark の音訳です。クォークは核子（中性子と陽子）を構成する基本粒子です。英語のクォークの本来の意味はカモメの鳴き声です。物理学者ゲルマンは文学作品からインスピレーションを得て、この名前をつけました。直訳方式によると、一部の中国の物理学者はクォークを「層」と呼び、台湾では「欠乏粒子」とも翻訳されたが、これらの翻訳は広く使われていない。

著者は物理学におけるいくつかの重要な用語を「綿密に研究」し、その意味を注意深く調べ、その背後にある深遠な物理的意味を探ります。よく考えて、はっきりと見極めましょう。いくつかの名詞は特に適切に命名されており、物事の本質や特徴を正確に反映しています。いくつかの名詞は歴史的な理由によりその本質から逸脱しており、誤解を招きやすいものです。この記事ではまず、力と場に関連するいくつかの用語について説明します。

- 著者

著者：Chen Shaohao （マサチューセッツ工科大学、米国）

力学は必ずしも力に関するものではない

力学は物理学の最も重要な分野です。物理学の発展に伴い、力学の内容は常に更新され、変化しています。現代物理学では、力学と呼ばれる分野の中には力とは何の関係もないものがあります。

「Mechanics」という言葉はギリシャ語に由来し、もともとは機械や機械に関連するものを意味します。その後、その意味は徐々に、物体の機械的運動の性質を研究する分野へと発展しました。派生語の「Mechanism」はメカニズムを意味します。

17 世紀に、ニュートンは 3 つの有名な運動法則を提唱しました。ニュートンの運動の3つの法則に基づく力学は、後に古典力学と呼ばれるようになりました。ニュートンが彼の有名な著作『自然哲学の数学的原理』の中で「力学」という言葉をほとんど使っていないことは注目に値します。

古典力学は主に物体の力、運動量、エネルギー、およびそれらの関係を研究します。たとえば、ニュートンの第二法則では、物体に作用する外力は、その慣性質量と加速度の積に等しいと述べられています。古典力学では、力が中核概念であり、物体に加えられる力がその動きを決定する主な要因です。したがって、Mechanics を mechanics に翻訳するのが妥当です。

18 世紀に、数学者は解析力学を開発し、古典力学をより基本的な数学的形式で再記述しました。ニュートンの法則は、ラグランジュ方程式とハミルトン方程式という同等の数学的形式で表現されました。解析力学では、力はもはや重要な概念ではなく、中心となる物理量はエネルギーです。

20 世紀に量子力学が出現した後、力の概念は完全に放棄されました。量子力学には古典力学のような力はありませんが、質量、エネルギー、運動量などの概念は保持されます。

英語の「Mechanics」という単語は意味の面で「Force」という単語と直接的な関係はなく、現代物理学の「Mechanics」という名前の多くの分野では力の概念がなくなりました。そこで疑問なのは、Mechanics は今でも mechanics と翻訳されるべきかということです。

「力学」の意味は歴史的に多くの変化を経てきたため、その意味をすべて正確に表現する中国語の単語を見つけるのは簡単ではありません。人々が慣れている「メカニクス」という言葉を使うのは良い選択です。

別の例を見てみましょう。運動学は古典力学の一分野です。運動の原因、特に運動と力の関係を研究することを指します。中国語に訳すと「dynamics」になります。多くの現代英語の文書や教科書では、Kinetics という単語が Dynamics という別の単語に置き換えられています。ダイナミクスは、物理システムが時間の経過とともにどのように変化するか、そしてその理由を研究する分野です。中国の文献では、Dynamics は今でも dynamics と翻訳されています。たとえば、電磁場が時間の経過とともにどのように変化するかを研究する電気力学は、electrodynamics と翻訳されます。現代物理学では、物理システムの進化の原因は力と直接的な関係はありません。したがって、Dynamics を dynamics に翻訳すべきかどうかは議論の余地があると著者は考えています。

重力は力ではない

量子力学は力とは何の関係もないだけでなく、20 世紀物理学のもう一つの偉大な成果である一般相対性理論は、重力は力ではないことを指摘しています。物理学の歴史において、重力の意味はいくつかの進化を遂げてきました。

重力という言葉は、重さを意味するラテン語の Gravitas に由来しています。その本来の意味は、地球上の物体の重力を指します。その後、ニュートンは地球上の物体の重力と宇宙の天体間の相互引力は同じ力であることを発見し、それを万有引力と名付けました。

ニュートンの万有引力の法則は大きな成功を収めた。地球上のすべてのものの動きから宇宙の天体の運行まで、すべては万有引力の法則によってうまく説明され、計算することができます。しかし、ニュートンは、重力がどのように発生するのか、なぜ重力は長距離の力なのか、つまり、接触していない2つの物体の間になぜ力があるのか​​を説明しませんでした。

20 世紀初頭、アインシュタインは重力に関する新しい理論、一般相対性理論を提唱しました。一般相対性理論では、重力は時空の幾何学的曲率として説明され、時空の曲率とその中の物質の質量およびエネルギーが結び付けられます。いわゆる重力は、ある物体が遠く離れた別の物体に不思議な遠距離効果を生み出すのではなく、この物体の質量が時空の湾曲を引き起こし、他の物体が単に湾曲した時空内の最短経路に沿って移動するというものです。平坦な空間では、2 点間の最短距離は直線です。曲がった空間では、2 点間の最短経路は曲線になります。物体の運動の方向を逸らす引力があるように見えますが、実際には重力は力ではなく、物体の運動の軌道を変える時空の曲率によって引き起こされる効果です。

身近な例を挙げてみましょう。地球は太陽の周りを回っています。古典力学の説明によれば、太陽によって生成された重力が地球に作用し、地球は太陽の周りを楕円軌道で回転します。しかし、一般相対性理論はまったく新しい説明を提唱しています。太陽の巨大な質量によって太陽の周りの時空が曲がり、地球は曲がった時空の中で最短経路に沿って太陽の周りを楕円軌道で回っているというものです。したがって、地球に作用する力を生み出すのは遠く離れた太陽ではありません。重力は遠隔作用ではなく、時空の曲率の必然的な結果です。重力は力ではないので、より正確な説明は「引力相互作用」になります。重力は自然界における 4 つの基本的な相互作用の 1 つです。

図 1: 太陽の巨大な質量により、太陽の周囲の時空が曲がり、地球は曲がった時空内の最短経路に沿って太陽の周りを楕円軌道で回っています。

場は物質の起源である

現代物理学では、力はもはや中心ではなく、場が最も重要な概念となっています。

「場」の概念を最初に提唱した物理学者はファラデーでした。 160年以上前、ケンブリッジ大学物理学部の講堂で、ファラデーは磁石の周りの磁力線を一般向けに実演し、磁場の概念を初めて提唱しました。ファラデーが「フィールド」という言葉を使ったのは、農場の畑のことを考えていたからです。フィールドを意味する英語は Field です。物理学における「場」とは、畑のあらゆる小さな穴に種を蒔くのと同じように、空間内のあらゆる座標点が物理量の数値を持つことを意味します。 「場」という言葉は非常に鮮明で、今日でも物理学者によって使用されています。

19 世紀の終わりに、マクスウェルは電気と磁気を密接に結び付けて電磁場を記述する統一理論を提唱しました。変化する磁場は電場を生成し、変化する電場は磁場を生成します。電磁場のエネルギーは波の形で空間を伝播するため、電磁波の存在が予測されます。電磁波はヘルツの実験によって確認されました。それ以来、物理学者は電磁場が実在すると確信し、場の概念は現代物理学全体のパラダイムとなりました。

20 世紀初頭、アインシュタインは一般相対性理論を確立し、時間、空間、重力の間に内在するつながりを明らかにし、重力場を時空自体の曲率として解釈し、重力波の存在を予測しました。重力波は、重力源から波の形で外側に伝播する時空の曲率のさざ波です。 100年後、LIGO観測所は宇宙における重力波の存在を確認しました。

20 世紀半ばから後半にかけて、物理学者は量子力学から量子場理論を開発しました。量子場理論では、それぞれの素粒子は量子場に対応しており、素粒子は量子場の励起によって生成されると考えられています。つまり、すべての物質と相互作用（重力を除く）は量子場から発生します。量子場は量子化されており、エネルギーは断片化されています。量子と呼ばれるエネルギーの最小単位は、実験室で観察される素粒子です。たとえば、電磁相互作用を伝播する光子は電磁場の量子であり、電磁場が励起されると光子が生成されます。同様に、強い相互作用を伝播するグルーオンはグルーオン場の量子です。相互作用を伝播する素粒子に限らず、物質を構成するすべての素粒子も量子場の励起によって生成されます。たとえば、電子場が励起されて電子が生成され、クォーク場が励起されてクォークが生成されます。

真空は実際には空ではない

最後に、名詞自体が物理的な事実を反映できない例、つまり真空を見てみましょう。

真空とは物質が存在しない空間状態を指します。しかし、量子場理論によれば、場の存在は絶対真空を排除します。たとえ宇宙からすべての物質が除去されたとしても、量子場は依然として存在するでしょう。量子場は変動するため、空間にはまだ小さなエネルギーが存在します。エネルギーと物質は同等であるため、自然界には絶対的な真空は存在しません。真空状態は物質の基底状態、つまりエネルギーが最も低い状態とみなされるべきですが、エネルギーはゼロではありません。

著者について

シャオハオ・チェンは、清華大学で物理学の学士号と原子分子物理学の博士号を取得しています。彼はコロラド大学ボルダー校の博士研究員であり、ルイジアナ州立大学とボストン大学で勤務した経験があります。彼は現在マサチューセッツ工科大学で高性能コンピューティングに携わっています。

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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