これはから適応されました QUANTA と FIELDS: 宇宙最大のアイデア ペンギン・ランダム・ハウスLLCの一部門であるペンギン・パブリッシング・グループの出版物であるダットンの許可を得てショーン・キャロル著。 © 2024 ショーン・キャロル
19 世紀が終わりに近づくにつれ、物理学者たちがすべてを理解する軌道に乗っていると期待していたのも許せたでしょう。 この暫定的な図によれば、宇宙は磁場によって押し流された粒子でできています。
空間を畑で埋めるというアイデアは 1800 年代を通じて広まりました。 以前、アイザック・ニュートンは運動と重力に関する美しく説得力のある理論を発表し、ピエール＝シモン・ラプラスは宇宙のすべての物体の間に広がる重力場の観点からその理論を再定式化する方法を示しました。 フィールドとは、空間内の各点で値を持つものにすぎません。 値は単純な数値である場合もあれば、ベクトルやより複雑なものである場合もありますが、フィールドは空間のどこにでも存在します。
しかし、重力だけを気にしているのであれば、このフィールドはオプションであるように見えます。つまり、好みに応じて、採用するかどうかを選択できる視点です。 ニュートンと同じように、物体間に何も張らずに、他の物体の重力によって 1 つの物体に生じる力を直接考えることも同様に問題ありませんでした。
19 世紀に物理学者が電気と磁気を理解するようになり、状況は変わりました。 帯電した物体は互いに力を及ぼしますが、これは当然のことながら、それらの間に広がる電界の存在によるものです。 マイケル・ファラデーの実験は、動く磁石が実際に触れることなく電線に電流を誘導できることを示し、別個の磁場の存在を指摘し、ジェームズ・クラーク・マクスウェルはこれら2種類の磁場を単一の電磁気理論に結合することに成功しました。これは、さまざまな電気現象と磁気現象を単一のコンパクトな理論で説明するという、統一の大きな勝利でした。 「マクスウェルの方程式」は、今日に至るまで物理学部の学生を悩ませています。
マクスウェルの理論の勝利の意味の 1 つは、光の性質の理解でした。 光は、別個の種類の物質ではなく、電磁放射としても知られる、電場および磁場内を伝播する波です。 私たちは電磁気を「力」と考えており、実際にそうなのですが、マクスウェルは、力を運ぶ場は振動する可能性があり、電場と磁場の場合、それらの振動は私たちが光として認識するものであることを教えてくれました。 光の量子は光子と呼ばれる粒子なので、「光子は電磁力を運ぶ」と言うことがあります。 しかし、現時点ではまだ古典的に考えています。
電子のような単一の荷電粒子を考えてみましょう。 そのまま放置しておくと、電子の方向を向いた力線が周囲に電場を持ちます。 ニュートン重力と同様に、力は逆二乗の法則に従って減衰します。
電子を動かすと、2 つのことが起こります。1 つは、移動中の電荷により、電場だけでなく磁場も生成されます。 第二に、既存の電場は空間内での向きを調整して、電場が粒子の方向を向いたままになるようにします。 そして、これら 2 つの効果 (小さな磁場、存在する電場の小さな偏差) が合わさって、池に投げ込まれた小石からの波のように外側に波紋が広がります。
マクスウェルは、これらの波紋の速度がまさに光の速度であることを発見しました。なぜなら、それは軽いからです。 光は、ラジオから X 線、ガンマ線まで、あらゆる波長の電界と磁界を伝播する振動です。 現在、あなたの周りで見られるほとんどすべての光は、電球のフィラメントであろうと太陽の表面であろうと、どこかで揺れる荷電粒子に由来しています。
同時に 19 世紀には、粒子の役割も明らかになりました。 ジョン・ダルトン率いる化学者たちは、物質は個々の原子で構成されており、各化学元素には特定の種類の原子が関連付けられているという考えを支持しました。 物理学者たちは、気体を跳ね返る原子の集合として考えると、温度、圧力、エントロピーなどを説明できることに気づき、遅ればせながら気づきました。
しかし、その用語は 原子これは物質の分割できない基本単位という古代ギリシャの考え方から借用したものですが、少し時期尚早であることが判明しました。 現代の原子は化学元素の構成要素ではありますが、分割できないわけではありません。 概要は簡単で、詳細は後で説明します。原子は、軌道を周回する電子に囲まれた陽子と中性子からなる原子核で構成されています。 陽子はプラスの電荷を持ち、中性子はゼロの電荷を持ち、電子はマイナスの電荷を持ちます。 陽子と電子の数が等しい場合、それらの電荷は互いに打ち消し合うため、中性原子を作ることができます。
最近では、陽子と中性子自体がクォークと呼ばれる小さな粒子で構成され、それらがグルーオンによって結合されていることがわかっていますが、1900 年代初頭にはその兆候はありませんでした。
ショーン・キャロル
陽子と中性子の質量はほぼ同じで、中性子の方がわずかに重いだけですが、電子ははるかに軽く、陽子の質量の約 1/1,800 です。 したがって、人やその他の巨視的な物体の質量のほとんどは陽子と中性子に由来します。 軽い電子はより自由に動き回れるため、電気の流れだけでなく化学反応も引き起こします。 最近では、陽子と中性子自体がクォークと呼ばれる小さな粒子で構成され、それらがグルーオンによって結合されていることがわかっていますが、1900 年代初頭にはその兆候はありませんでした。
この原子の絵は徐々に組み立てられていきました。 電子は 1897 年に英国の物理学者 J.J. トンプソンによって発見され、電子の電荷を測定し、原子よりもはるかに軽いことが証明されました。 したがって、どういうわけか、原子には 2 つの構成要素が存在するはずです。軽量で負に帯電した電子と、より重い、正に帯電した電子です。 数年後、トンプソンは、小さな電子が、より大きな正に帯電した体積内に浮遊している図を提案しました。 これは電子が梅の役割を果たし、「梅プリンモデル」と呼ばれるようになりました。
プラム プディング モデルは長くは繁栄しませんでした。 アーネスト・ラザフォード、ハンス・ガイガー、アーネスト・マースデンによる有名な実験では、薄い金箔にアルファ粒子（現在ではヘリウム原子の核であることが知られている）を発射しました。 予想では、それらはほとんどが直接通過し、偶然原子を通過して電子 (プラム) または拡散した正に帯電した塊 (プリン) と相互作用する場合、軌道はわずかに偏向されます。 電子は軽すぎてアルファ粒子の軌道を乱すことができず、広がった正電荷は拡散しすぎてあまり効果がありません。
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しかし何が起こったのかというと、ほとんどの粒子は実際に影響を受けずに飛び抜けましたが、一部の粒子は乱暴な角度で跳ね返り、さらにはまっすぐに戻ってきました。 これは、粒子が飛び散るのに重くて実質的な何かがあった場合にのみ起こります。 1911 年にラザフォードは、正電荷が巨大な中心核に集中していると仮定することで、この結果を正しく説明しました。 入ってくるアルファ粒子が幸運にも小さくて重い原子核に直撃すると、鋭角に偏向され、それが観察されました。 1920 年にラザフォードは陽子の存在 (単なる水素原子核であり、すでに発見されていた) を提案し、1921 年に中性子の存在を理論化しました (最終的に 1932 年に発見されました)。
マクスウェル自身をはじめとする他の物理学者は、粒子や波の集合体の既知の挙動が、私たちの古典的な期待と必ずしも一致しないことを認識していました。
ショーン・キャロル
これまでのところ、非常にうまくいっている、私たちの想像どおりだと思います 世紀末 物理学者。 物質は粒子でできており、粒子は力を介して相互作用し、それらの力は場によって運ばれます。 メカニズム全体は、古典物理学の枠組みによって確立された規則に従って動作します。 粒子の場合、これはよく知られたものです。すべての粒子の位置と運動量を指定し、古典的な手法 (ニュートンの法則または同等のもの) の 1 つを使用して、粒子のダイナミクスを記述します。 フィールドは基本的に同じように機能しますが、フィールドの「位置」は空間内の各点での値であり、その「運動量」は各点での変化の速さである点が異なります。 古典的な全体像はどちらの場合にも当てはまります。
物理学はほぼ解明されつつあるという疑念は、完全に的外れというわけではなかった。 アルバート・マイケルソンは、1894 年のシカゴ大学の新しい物理学研究室の落成式でこう宣言しました。 [of physics] しっかりと確立されています。」
彼はまったく間違っていました。
しかし、彼は少数派でもありました。 マクスウェル自身をはじめとする他の物理学者は、粒子や波の集合体の既知の挙動が、私たちの古典的な期待と必ずしも一致しないことを認識していました。 ウィリアム・トムソン、ケルビン卿は、次のような誤った引用の犠牲者になることがよくあります。 残っているのは、ますます正確な測定だけです。」 彼の本当の見方はその逆でした。 1900年の講演で、トムソンは物理学に迫っている2つの「雲」の存在を強調し、そのうちの1つは相対性理論の定式化によって、もう1つは量子力学の理論によって最終的に分散されることになっていた。
1712155204
#世紀の物理学は完成したかに見えました #ケルビンは別のことを考えた
2024-04-03 14:30:00