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荷電粒子加速と電磁力

自然現象は法則によって理解する事が科学論理の共通認識に極めて重要となる。しかし、哲学としての自然観から見ると法則の公式に纏められる程自然は単純ではない。やはり電磁気現象を取上げて、その電磁気学的解釈を数式で纏められた法則の中味について、少し詳しく考え・吟味してみよう。代表例として、荷電粒子の加速現象を取上げる。荷電粒子を加速するには、電荷と電磁場の電界、磁界の間に発生する力関係が問題になる。電磁力とは何かを理解しておかなければならない。今年の大学入試センター試験の物理の問題に荷電粒子の加速の課題が出題されていた。何となく暗記していれば、考えなくても答えを選びだせるが、物理的な現象として深く考えると、答えられなくなる。決まり切った常識的な答を選び出す感覚を教育に求めるならば、それでも止むを得ないが、考える物理学としては首を傾げざるを得ない。そこで少し自分なりに考えをまとめておきたくなった。物理問題に挑戦して(2015センター試験)。

電磁力電磁力

自然科学と言う学問分野は、自然現象を解釈するのに、先ず分析して様々な現象の中味を分類し、細分化した基本の概念を定義して、誰もが共通理解できる基盤を整える。その上で、解釈法を新規に開拓する事で新たな進展を遂げる。新しい解釈や発見が科学技術の世界を広げて、社会に貢献する喜びが科学者の生き方と成る。科学技術の世界は見違えるほど進化し、人類は豊かさを享受して来た。その推進力が科学理論であるとみんなが理解して来た。科学理論即ち基礎概念と。その中で、自然科学の基礎概念の矛盾を唱える事は、世界常識を覆すことにもなる訳であるから、専門的科学界からは理解され難い。そこに哲学と言う深く考える意味が生まれて来ると思う。上に挙げたファイルの電磁力の中味を解剖してみようと思う。

電磁界 電気の現象が生じる空間場を電磁場あるいは電磁界と言う。電気磁気の場とも言うように、電気と磁気の二つがそれぞれ独立して、あるいは両方が巧みに絡み合った関係で存在する場(マックスウエル電磁場方程式)として捉える。ところが、詳しく分析してみれば、電界や磁界と言うその場の状況さえ余り厳密に定義されている訳ではない事に戸惑わざるを得なくなってしまう。だから、その電磁場での荷電粒子の加速現象も、良く意味が分からなくなってしまうのである。そこで、荷電粒子の電磁場での加速現象を、電磁力と言う式の意味から解剖してみようと思う。

力ベクトル力ベクトル

荷電粒子の運動方程式は電磁場の空間のベクトル計算で解釈される。電界ベクトルE(物理的な定義が判然としない。電荷からの電気力線の太さ的な強さとでも考えるか?)と磁界ベクトルB(磁束密度:単位面積を通る磁束線量か)の二つの電磁界供給源に因る電磁場が空間に造られたとする。それぞれのベクトル方向は独立して存在する。その電磁場にプラス電荷q[C]の粒子が速度v[m/s]で入射した。その時粒子が受ける電磁力には、磁界と電界の二つの独立した力を受ける。その合成力がf=f_B+f_E である。電界に因る力は電界ベクトルのスカラーq倍で、電界ベクトルと同じ方向ベクトル力となる。磁界Bによる力は、荷電粒子の速度ベクトルvとのベクトル積で決まると成っている。以上の電磁力のベクトルを上に図解した。教科書的法則に因る電磁力の意味を示した。問答はここから始まる。『電荷』が電界や磁界との空間での相互作用で、何故力が生じるのかと疑問を持たないだろうかと言う事である。『力』とは何か。遠隔作用力か近接作用力か、明確に共通認識されているだろうか。等を考えてみたい。

電磁力の意味 先ず磁場による力を考えてみよう。磁場から受ける力は荷電粒子の速度ベクトルと磁束密度ベクトルとのベクトル積で解釈される。[v×B]のベクトル積は、速度ベクトルvから磁気ベクトルBの向きに右ねじを回した時の、ネジの進む方向に力が生じる。vにもBにも垂直の方向に発生する。上の図の場合は、両ベクトル間の間の角度がθであるから、力の大きさはf=qvBsinθとなる。何故そのような力が生じるのだろう。ところが『電荷』が静止している場合は磁場の中でも何も力は発生しない。式の意味からすれば、静止電荷に対して、磁場の強度がどのように変動しようと力は発生しないと言う事になる。それは、『電荷』と言う概念に対して磁界は全く作用性を持たない、不干渉の関係にあると言う事だ。ところが、磁界に対して『電荷』が動くとたちまち力が生じると言う。一様磁場と言う磁界の変化の無い空間で、『電荷』が運動したとしても、磁界との相対的変化は何も生じない。もともと『電荷』には磁界は無いと定義されている。にも拘らず『電荷』が一様磁場で運動するとその速度と磁界の両方に直角の方向の力が生じると言う。この場合の力の発生原因を何に求めれば良いのだろうか。速度に対する電荷のスカラー倍qvの次元はどんな意味か。qv[Cm/s=Am=(J/H)^1/2^m]となる。磁束密度はB[Wb/m^2^=(JH)^1/2^/m^2^]である。その積が力の大きさで、f_B_=qvBsinθ[J/m=N]と確かに次元は問題ない。しかし、速度vやqv[Am]の物理的意味が磁界との間に力を生む原因と考える事に大変抵抗を感じる。それは個人の感覚的なもので、科学の論理に関係ないと言われそうであるが、そのまま済まされない問題と考える。なお次元についてはエネルギー[J(ジュール)]とJHFM単位系をご覧願います。

次に電界に因る力を考えよう。空間に電界があると言うことの物理的意味は何だろうか。電界は真空でも存在する。電気は光と同じであると言う事から考えれば、光は真空こそその本領を発揮できるのだから、電界の正体は光とどんな関係で捉えれば良いのだろうかとなる。電界は空間の単位距離に存在する電圧の大きさと言う単位で理解する。空間に電圧が在るとはどんな意味か。真空空間と違う何かの歪みを含んだ空間であろう。電気力線が密集している空間と考えても、そんな空間歪みでは認識できない。電界ベクトルEに対する『電荷』のスカラー倍の力の大きさf_A=qEの次元は[CV/m=(JF)^1/2^(J/F)^1/2^/m=J/m=N]である。この電界に因る『電荷』に働く力が何故生じるかを理解できない。『電荷』が空間に存在する時、その『電荷』の周辺に自身がその存在をどのような物理的姿によって主張するのだろうか。『電荷』の空間に放射するものは、やはり電気力線と言う仮想概念でしか表現できない。空間の電界強度と言う電気力線と『電荷』の放射する電気力線がどのように結び合うと考えれば良いのだろうか。空間の電界と『電荷』の電界とどのような量的結び合いで、その力を理解すれば良いのだろうか。この場合の『電荷』に働く力はクーロンの法則に因ると解釈する訳でもない。何となく、意味不明な電界強度と言う場では、『電荷』は力を受けるのだと言う専門的常識で説き伏せられるような感じを受ける。反論する側も明確に指摘できない曖昧さを抱えている点が口惜しい。

荷電粒子 不確定性原理と言う表現が在る。粒子の位置と速度(運動量=速度と質量の積)を同時に把握する事が不確実であると言う意味程度で解釈している。荷電粒子の状態を検出する実験的手法はどのように行われているかが知りたい。高速になる程不確実になるだろうと推し量れるが、実際の検出法が分からないと、荷電粒子加速の全体像を理解できない。計測は粒子のエネルギーを必ず検出に取り込む必要がある。その辺の理論的な検証が必要になると、実験手法には必ず伴うと思う。

荷電粒子の描像 『電荷』を否定すれば、荷電粒子を『電荷』概念なしにどう解釈するかに行き着く。全ての素粒子が結局『エネルギー』に集約されると考える。光、熱のエネルギーには質量を考慮しない。質量・エネルギーの等価原理。磁場のエネルギー流空間としての解釈と、荷電粒子のエネルギー回転流体との間の相互作用から『電磁力』を捉えたい。素粒子ーその実相ー

新世界ー科学の要ー  (2017/11/06)追記。新世界ー科学の要ーの記事は訂正し謝らなければならない。平板コンデンサ内のエネルギー流は一つであろうと思う。下部電極からのエネルギー流は無いと思う。科学的検証法がなく誠に申し訳ありません。3月に入って突然忘れていた大事なことに気付き、まとめたのが静電界のエネルギー流である。30年かけた結論でもある。荷電粒子の加速問題は、この静電界の物理学教科書的解釈でない自然界の物理的真理を認識すれば、自ずから取上げた意味が理解されよう。

物理問題に挑戦して(2015センター試験)

久しぶりに大学入試センター試験問題を見た。物理の問題が目に入った。以前からどうしても理解できずに困っていたものに近い問題である。セルンの『ヒッグス粒子』の実験で以前話題にもなった。陽子加速の問題であった。今年の物理の問題を見て、解こうと思った。しかし、理解力の無い頭で考えると、なかなか問題の意味さえ理解できない。そこで、自分の理解できない事をまとめてみた。 センター試験2015物理問題と読み取り 問題文を読み取ることに時間がかかった。なんとか読み取って、不可解な点をまとめた。 電極間と電場電極と電場 電極の材質も一応金属導体と解釈し、高等学校の電気理論でどのように問題の意味を捉えたら良いかと考えた。それが電極と電場の図に示した、図解説になる。電極構造は半円形で無くても、四角の箱状でも良かろう。加速粒子は確かに円形に近い運動をするだろう。更に、向き合った電極面の間が加速の場となるから、それ以外の部分は不要でないかとも思った。

電場 ②粒子加速の電場をどのように解釈すれば良いかが分からない。荷電粒子を加速すると言う教科書的解釈では、『電荷』を解釈の基本に考えると思う。所謂クーロンの法則である。クーロンの法則を斬る を御参考に。『電荷』を加速するのは『電荷』による電気力線の『電界強度』である。それ以外の原理を私は知らない。例え『電荷』が物理的実在量でないとしても、現在の教科書は『電荷』を電気の基礎概念として、そこから理論を考えている。この物理現象・荷電粒子加速の問題も『電荷』抜きには理論構築できない筈だ。電界ベクトルの方向に、プラス電荷が加速される。F=qE=mα[N]の加速度ベクトルα[ms^-2^]を生む電界Eが描けなければ、考える事が出来ない。電圧V[V]で常に加速とは、電気理論上は理解できない。電界をギャップ空間に描く事が先ず考える基になる筈だ。私にはこの問題の電界を描く事が出来ない。『電荷』によれば、③のように電気力線は描かれる。この電気力線では、粒子加速の原理が見えない。問題提出者はどのような電界の描像を描いて解釈したのか、教えて欲しい。

④電界レンズ 実際に荷電粒子が加速されるとしたら、それは電極間の電場・電界が『電荷』による描像以外の原理で描かれると解釈するのであろう。教科書で『電荷』によるクーロン力で荷電粒子加速を説明するなら、当然の事この問題の加速法も『電荷』で説明できなければならない。

『電荷』概念の矛盾を示す物理の問題であると考えて、解けない基本を記した