ポール・サッターはオハイオ州立大学の宇宙物理学者であり、COSI科学センターの主任科学者です。 また、Ask a Spaceman と Space Radio の司会者でもあり、世界中で AstroTours を案内しています。 この記事はSpace.comのExpert Voicesに寄稿されたものです。
磁石と磁力は、私たちの日常生活のいたるところにあり、慣れない土地で私たちを導いたり、子供の作品を冷蔵庫に貼り付けたりするのに役立っています。 しかし、そのような一般的な例以外では、磁場は常に、宇宙の力のシンフォニーの中で二の舞を演じているように見えます。 もちろん、マグネターのような非常に危険な環境や、NMR スキャナーのような非常に便利な環境など、ごくたまに主導権を握ることもありますが、ほとんどの場合、より強力な従兄弟たちに振り回されて、ただ存在しているだけです。
しかし、相対的に重要でないにもかかわらず、彼らはいくつかの秘密を抱えているのです。
磁石は運動でのみ機能する
電荷を持つ単一の粒子が、何も面白いことをせず、孤独に座っていると、電界が発生します。 この電場は粒子の四方を取り囲み、他の帯電した粒子にどのように反応するか指示します。 同じような電荷を持つ粒子が近くにあれば、押しのけられます。
しかし、その電荷を動かしてみると、驚くべきことが起こります。 新しい場が出現するのだ! この奇妙でエキゾチックな場は、奇妙な方法で振る舞います。 電荷にまっすぐ向かったり離れたりするのではなく、電荷のまわりでねじれ、常に運動の方向に対して垂直になるのです。
このフィールドは、便宜上、磁場と呼びますが、このように、動く電荷によって引き起こされ、動く電荷にのみ影響を及ぼします。
磁石自体は動いていませんが、磁石が作られているものは動いています。 その磁石の中の一つひとつの原子は、何層にも重なった電子を持っており、電子は、スピンとして知られる内蔵の特性を持つ荷電粒子です。
これらの電子は動いている電荷であり、各電子はそれ自身の極小の磁場を生成します。
これらの電子は動いている電荷であり、それぞれの電子が極小の磁場を発生させます。ほとんどの物質では、電子の異なる向きがマクロな磁場を打ち消しますが、磁石はまさにその種の物質で、たくさんの電子が整然と並び、冷蔵庫に何かを貼り付けられるほど大きな磁場を作り出します。
単極が存在するかもしれません
宇宙で見られる磁場のすべてが動く電荷によって発生するので、北と南の極 (「単極」) は決して分離することはできません。 常に対になっているのです。
磁石のこの性質は、電気と磁気が根本的につながっていることを発見したジェームズ・クラーク・マックスウェルが、方程式に「磁気単極は存在しない」という文を焼き込んでそのままにしたほど、よく知られていました (そして今も知られています)。
しかし、奇妙で素晴らしい素粒子の世界に目を向けるようになると、量子力学の理解が深まり、この考えに新たな皺が刻まれました。
思考実験として、磁気単極子が存在し、それと平凡な電荷を組み合わせると、2 つは回転し始めるでしょう。 この回転は実は距離とは無関係で、その2つの粒子がどれだけ離れているかは関係ないのです。 しかしディラックは、角運動量（この回転するペアのように円を描く運動量）が量子化されることを知っていた。つまり、我々の宇宙では角運動量は不連続な値でやってくるのだ。
では、ここからが本題です。
そこで、この推論を用いて、ディラックは、角運動量が量子化されるなら、それらの粒子上の電荷も量子化されるはずだと気づきました。
磁石は特殊相対性理論の鍵
マクスウェルが発見した電気と磁気の関係は、表面的なものだけではありませんでした。 彼は、それらが同じコインの表裏であること、つまり電磁気学であることに気づいたのです。 電場が変化すると磁場が発生し、その逆もまた然り。
マクスウェルの大ファンであったアルバート・アインシュタインは、さらにもう一歩踏み込んで、「光」という現象が、電気と磁気が互いに揺れ動くことによって起こることを発見したのです。
マクスウェルの作品をこよなく愛したアルバート・アインシュタインは、さらに一歩進んで、電気、磁気、運動の間に関連があることに気づきました。
アインシュタインは、マクスウェルの作品をこよなく愛し、さらに一歩進んで、電気、磁気、運動のつながりに気づきました。
さて、あなたの視点からは、電荷が動いているように見えるでしょう。 そして、動く電荷は何をするのでしょうか。 そうです、磁場を作るのです。 つまり、電場と磁場は表裏一体であるだけでなく、移動するだけで、一方から他方へと変化することができるのです。 つまり、観測者によって見え方が異なるということです。
このような考え方から、アインシュタインは、現在、現代科学の基礎となっている特殊相対性理論と呼ばれるものへの道を歩み始めたのです。
さらに詳しく知りたい方は、iTunes やウェブで入手可能なポッドキャスト「Ask A Spaceman」で、「磁石はどのように働くのか」というエピソードをお聞きください（http://www.askaspaceman.com）。 Dan H. さん、David H. さん、@BrendaHattisbur さん、この作品のきっかけとなる質問をありがとうございました! Twitterで#AskASpacemanを使って質問するか、Paul@PaulMattSutterとfacebook.com/PaulMattSutterをフォローして、ご自身の質問をお寄せください。 Twitter @Spacedotcom とFacebookでフォローしてください。 Space.comのオリジナル記事