PHYSICS · ELECTROMAGNETISM

電磁気学

電気と磁気は、一つのものの二つの顔だった。

静電気の火花も、磁石が鉄を引きつけることも、スマートフォンの電波も、目に見える光も、すべて同じ一つの理論で説明できる。電磁気学は、電気と磁気をまとめ上げ、ついには光の正体まで明らかにした物理学です。

電磁気学とは

離れていても、力は伝わる。その間を満たしているのが「場」。

電磁気学は、電気を帯びたもの（電荷）と、電流、磁石のふるまいを扱う学問です。鍵になる考え方は場。電荷のまわりの空間には「電場」が、電流や磁石のまわりには「磁場」が広がっていて、ほかの電荷はその場から力を受ける。触れていないのに力が伝わる理由を、空間そのものの性質として捉えます。

電荷とクーロンの法則F = k q₁q₂ / r²

電気にはプラスとマイナスがあり、同じ符号は反発し、違う符号は引き合う。その力は距離の2乗に反比例する。万有引力とよく似た形。

電流は磁場をつくる

電線に電流を流すと、そのまわりに磁場ができる。電磁石やモーターは、この性質を使っている。

磁場が変わると電流が生まれる ― 電磁誘導

磁石を動かすと、近くのコイルに電流が流れる。発電所で電気をつくる原理。電気と磁気は、互いを生み出し合う。

マクスウェル方程式4つの方程式

電荷は電場をつくる / 磁場には始まりも終わりもない / 変化する磁場は電場をつくる / 電流と変化する電場は磁場をつくる。電気と磁気のすべてが、この4つにまとまる。

電磁波 ― 光の正体c ≒ 30万 km/秒

電場と磁場が互いを生み出しながら、波として空間を進む。その速さを計算すると、光の速さと一致した。光は電磁波だった。

電磁気学は完成した理論に見えましたが、二つの大きな謎を残しました。そしてその謎が、20世紀の物理学を生み出します。

光の速さは、誰から見た速さなのか ― マクスウェル方程式から出てくる光の速さには、「誰から見て」が書かれていなかった。アインシュタインは「誰から見ても同じ」と考え、相対性理論が生まれた（時間のノート）。
光は、本当にただの波なのか ― 光を金属に当てると電子が飛び出す（光電効果）。これは光が粒のように振る舞うと考えないと説明できなかった。量子力学の入口（量子力学のノート）。

光とは、何が波打っているのか。

波には、それを伝えるもの（水の波なら水、音なら空気）があるはずだと考えられ、光を伝える見えない媒質「エーテル」が探されました。けれど、いくら精密に測っても見つからなかった。答えは、何もない空間そのものを、電場と磁場が伝わっていくというものでした。

そして電磁気学も、対称性で書かれています。場の見方を場所ごとに自由に変えても法則が変わらない（ゲージ対称性）。その対称性から、電荷が保存されることが導かれます。「対称性は、なぜ存在するのか」という問いは、ここでも同じ形で現れています。