遠隔操作

遠隔作用とは、物理的に接触していなくても、ある物体の運動が別の物体の影響を受ける可能性があるという物理学の概念です。つまり、空間的に離れた物体の非局所的な相互作用の概念です。クーロンの法則とニュートンの万有引力の法則は遠隔作用に基づいています。

歴史的に、遠隔作用は重力と電気の最も初期の科学的モデルであり、多くの実際のケースで今でも役立っています。19 世紀と 20 世紀には、これらの現象をより正確に説明するために場のモデルが登場しました。電子と特殊相対性理論の発見により、場の理論に代わる新しい遠隔作用モデルが生まれました。現代の理解では、物理学全体における 4 つの基本的な相互作用(重力、電磁気、強い相互作用、弱い相互作用) は、遠隔作用では説明できません。

力学の研究では、遠隔作用は運動を引き起こす物質に対する3つの基本的な作用のうちの1つです。他の2つは、直接的な衝撃（弾性衝突または非弾性衝突）と、流体力学や固体力学のような連続媒体における作用です。^{[1] ：338} 歴史的に、特定の現象に対する物理的説明は、新しいモデルが開発されるにつれて、時間の経過とともにこれら3つのカテゴリ間を移動してきました。

遠隔作用と連続媒体における作用は、水中の波や弾性固体のように媒体のダイナミクスが目に見える場合には簡単に区別できる。電気や重力の場合、媒体は不要である。19世紀には、介在する物質に対する作用の影響、時間遅延の観察、見かけ上のエネルギー貯蔵、あるいは作用伝達の妥当な機械的モデルの可能性などの基準はすべて、遠隔作用に反する証拠として受け入れられていた。[2 ^{] : 198} エーテル理論は、重力と電磁気学における見かけ上の遠隔作用に代わる、エーテルと呼ばれる（目に見えない）媒体内での連続作用という観点からの代替案であった。^{[1] : 338}

マクロな物体の直接的な衝撃は、遠く離れた場所からの作用と視覚的に区別できるように見える。しかし、物体が原子で構成され、それらの原子の体積が定義されておらず、原子が電気力と磁気力によって相互作用する場合、その区別は明確ではない。^[2]

遠隔作用の概念は物理学において複数の役割を果たし、それぞれの物理的問題のニーズに応じて他のモデルと共存することができます。

1つの役割は、そのような動作の原因を理解することとは無関係に、物理現象を要約することです。^{[1]たとえば、惑星の位置の天文表は、惑星が接触や介在媒体なしで相互作用することを前提とする}ニュートンの万有引力の法則を使用して簡潔に要約できます。データの要約として、概念は妥当な物理モデルとして評価する必要はありません。

遠隔作用は、他のモデルが存在する場合でも、物理現象を説明するモデルとして機能します。重力の場合も、質量間の瞬間的な力を仮定すると、彗星の再来時間を予測できるだけでなく、海王星のようなこれまで知られていなかった惑星の存在を予測することもできます。^{[3] ：210}これらの物理学の勝利は、一般相対性理論に基づく重力のより正確な代替モデルよりも何十年も前に遡ります。

物理学の入門書では、重力などの中心力について、相対性理論や場の話題が取り上げられるまで、遠隔作用に基づくモデルで論じられており、そのような力の原因や問題点については論じられていない。例えば、重力については『ファインマン物理学講義』を^{参照のこと。 [4]}

物理的概念としての遠隔作用には、物体、距離、およびそれらの運動を識別することが必要である。古代では、自然界についての考えはこれらの言葉で整理されていなかった。運動する物体は生き物としてモデル化されていた。^[1] 1600年頃、科学的方法が根付き始めた。ルネ・デカルトはより根本的な見解を持ち、神学とは独立した物質と作用の考えを展開した。ガリレオ・ガリレイは落下物と転がる物体の実験的測定について書いた。ヨハネス・ケプラーの惑星運動の法則は、ティコ・ブラーエの天文学的観測を要約したものである。 ^{[2] : 132}電気および磁気材料を使った多くの実験から、力に関する新しい考えが生まれた。これらの努力が、ニュートンの力と重力に関する研究の土台となった。

1687年、アイザック・ニュートンは自身の運動法則とケプラーの実験結果を再現できる新しい数学的分析を組み合わせた『プリンキピア』を出版した。 ^{[2] : 134}彼の説明は万有引力の法則の形をとった。すなわち、2つの物体は、その質量に比例し、物体間の距離の2乗に反比例する力によって引きつけられるというものである。^{[5] : 28}このように、惑星の運動は、遠距離にわたって働く力を仮定することで予測された。

この力の数学的表現は原因を示唆していませんでした。ニュートンは遠隔作用は重力のモデルとしては不十分だと考えました。^[6]ニュートンは遠隔作用を次のように考えました。

これはあまりにも不条理なので、哲学的な事柄について十分な思考力を持つ人間なら、決してこれに陥ることはないだろうと私は信じています。^[7]

— アイザック・ニュートン、ベントレーへの手紙、1692/3

1700 年代初期の形而上学者たちは、ニュートンの理論では説明できない遠隔作用に強く反対した。ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツは、重力のメカニズムは「目に見えず、触れることができず、機械的ではない」と不満を述べた。^{[1] : 339}さらに、当初の天文学的データとの比較は好ましくなかった。1700 年代を通じて数学的手法が進歩するにつれて、この理論はますます成功し、ハレー彗星の帰還日を予測し^[8] 、 1846 年の海王星の発見に貢献した。^[9]これらの成功と、19 世紀に向けて科学がますます実証的になったことで、遠隔作用に対する嫌悪にもかかわらず、ニュートンの重力理論が受け入れられるようになった。^[1]

電気現象と磁気現象も、1600 年代初頭に体系的に研究され始めた。ウィリアム・ギルバートの初期の「電気エフルビア」理論 (一種の電気大気) では、「接触以外では物質による作用は起こらない」という理由で遠隔作用を否定している。^[11] しかし、その後の実験、特にスティーブン・グレイの実験では、遠隔作用が示された。グレイは「電気少年」と呼ばれる実験を開発し、直接接触せずに電気を伝達できることを実証した。^[10] フランツ・エピヌスは、1759 年に初めて、電気の遠隔作用理論が電気エフルビア理論のより簡単な代替案となることを示した。^{[5] : 42}この成功にもかかわらず、エピヌス自身は力の性質が説明できないと考えていた。彼は「遠隔作用の可能性を前提とする理論を承認しなかった」ため、エーテルに基づく理論への移行の土台ができた。^{[11] : 549}

1785年、シャルル＝オーギュスタン・ド・クーロンは、静止した2つの電荷は、それらの間の距離の2乗に反比例する力を経験することを示しました。これは現在ではクーロンの法則と呼ばれています。重力との驚くべき類似性は、少なくとも数学モデルとしては、遠隔作用の根拠を強化しました。^[12]

数学的手法が進歩するにつれ、特にピエール＝シモン・ラプラス、ジョゼフ＝ルイ・ラグランジュ、シメオン・ドニ・ポアソンの研究によって、より洗練された数学的手法が科学者の思考に影響を与え始めた。小さな試験粒子に適用される位置エネルギーの概念は、空間全体の力を表す数学モデルであるスカラー場の概念につながった。この数学モデルは機械的媒体ではないが、そのような場の精神的なイメージは媒体に似ている。^{[2] : 197}

マイケル・ファラデーは、たとえ数学的なポテンシャル場であっても、遠隔作用は電気力と磁気力の説明としては不十分であると示唆した最初の人物である。^{[1] : 341}経験的実験家であったファラデーは、電気力を伝達する何らかの媒体を支持する3つの理由を挙げた。1)絶縁体を横切る静電誘導は絶縁体の性質に依存する、2) 帯電した絶縁体を切断すると、それぞれの半分に反対の電荷が発生する、3) 放電火花は絶縁体で曲がる。これらの理由から、彼は絶縁体の粒子は分極しており、各粒子が連続的な作用に寄与していると結論付けた。彼は磁石の実験も行い、鉄粉によって力線が見えることを実証した。しかし、どちらの場合も、彼の場のようなモデルは遠隔作用を通じて相互作用する粒子に依存している。彼の機械的な場のようなモデルは、長距離中心場モデルよりも根本的な物理的原因を持っていない。^{[1] : 348}

ファラデーや他の研究者の観察により、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは1865 年に画期的な定式化に至りました。それは、静的および動的電気と磁気を組み合わせ、電磁放射である光も含む一連の方程式でした。 ^{[5] : 253}マクスウェルは精巧な機械モデルから始めましたが、最終的には動的ベクトル場を使用した純粋に数学的な処理を生み出しました。これらの場は光を伝播させるために振動するように設定する必要があるという感覚から、伝播媒体の探索が開始されました。この媒体は光伝導エーテルまたはエーテルと呼ばれました。^{[5] : 279}

1873年、マクスウェルは遠隔作用について明確に論じた。^[13]彼はファラデーの力線をレビューし、ファラデー自身がこれらの力線の媒体に関する機械的モデルを提供しなかったことを注意深く指摘した。しかし、これらの力線の多くの特性は、これらの「力線を単なる数学的抽象として見なすべきではない」ことを示唆している。ファラデー自身は、これらの力線をモデル、実験者にとっての「貴重な助け」、さらなる実験を提案する手段と見なしていた。

異なる種類の作用を区別するために、ファラデーは 3 つの基準を提案しました。1) 追加の物質的物体は作用を変えるか?、2) 作用には時間がかかるか、3) 作用は受け手に依存するか? 電気の場合、ファラデーは電気作用が 3 つの基準すべてを満たすことを知っていましたが、重力は 3 番目の基準のみを満たすと考えられていました。マクスウェルの時代以降、4 番目の基準であるエネルギーの伝達が追加されましたが、これは電気には適用されますが、重力には適用されないと考えられていました。重力の新しい理論の出現により、現代の説明では、追加の物体への依存を除くすべての基準が重力に与えられます。

マクスウェルの場の方程式の成功により、19世紀後半の数十年間に、主に機械モデルを用いて電場、磁場、重力場を表現するための数多くの取り組みがなされた。^{[5] : 279}既存の現象を説明できるモデルは現れなかった。特に、地球の相対速度による恒星の位置の変化である恒星行差を説明する良いモデルはなかった。最も優れたモデルでは、地球が動いている間はエーテルが静止している必要があったが、エーテルを介した地球の運動の影響を測定する実験的取り組みでは効果は見つからなかった。

1892年、ヘンドリック・ローレンツは、マクスウェルの厳密に巨視的な連続理論ではなく、新たに出現した微視的分子モデルに基づいて修正されたエーテルを提案した。^{[14] : 326}ローレンツは、静止したエーテル内の運動する孤立電子の相互作用を調べた。^{[5] : 393}彼はこのようにしてマクスウェル方程式を導出し直したが、重要なことに、その過程で、運動する電子の座標で波を表すように方程式を変更した。彼は、波動方程式が特定のスケーリング係数を使用して変換された場合、同じ形式になることを示した。ここ で、は運動する電子の速度、は光速である。ローレンツは、この係数が静止したエーテル内の運動物質に長さの収縮として適用された場合、実験と一致して、エーテルを通る運動の影響が排除されると指摘した。 $${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-(u^{2}/c^{2})}}}.}$$${\displaystyle u}$${\displaystyle c}$

1899年、アンリ・ポアンカレはエーテルの存在に疑問を投げかけ、相対性原理はエーテルモデルの支持者が想定した絶対運動を禁じていることを示した。彼はローレンツが用いた変換をローレンツ変換と名付けたが、それを相対速度を持つ2つの慣性系間の変換として解釈した。この変換により、電磁気方程式はすべての均一に運動する慣性系で同じに見えるようになる。その後、1905年にアルバート・アインシュタインは、相対性原理を時間の同時性と光の一定速度に適用すると、ローレンツ変換が正確に予測されることを実証した。この特殊相対性理論はすぐに現代の時空の概念となった。 ${\displaystyle u}$

このように、エーテルモデルは当初は遠隔作用とは非常に異なっていたが、徐々に単純な空の空間に似たものへと変化した。^{[5] : 393}

1905年、ポアンカレは、物体から発せられ光速で伝播する重力波を提唱し、ローレンツ変換^{[15]の要件として、加速する}電荷が電磁波を生成するのと同様に、相対論的重力場理論における加速された質量が重力波を生成するはずであると示唆した。^[16]しかし、1915年まで、重力は依然として遠隔作用によって記述される力として孤立していた。その年、アインシュタインは、相対性理論と一致する時空の場の理論、一般相対性理論が重力を説明できることを示した。この理論から生じる新しい効果は、宇宙論にとっては劇的なものであったが、惑星の運動や地球上の物理学にとっては些細なものであった。アインシュタイン自身、ニュートンの「実用上の大きな成功」に言及した。^[17]

20 世紀初頭、カール・シュヴァルツシルト^[18] 、ヒューゴ・テトロード^[19]、およびアドリアン・フォッカー^{[20] は}それぞれ独立に、特殊相対性理論と整合する遠隔作用の非瞬間的モデルを開発した。1949 年にジョン・アーチボルド・ホイーラーとリチャード・ファインマンはこれらのモデルを基にして、新しい場のない電磁気学の理論を開発した。マクスウェルの場の方程式は一般的には成功しているが、場と相互作用する運動電子のローレンツモデルは数学的な困難に遭遇する。場内の運動点電荷の自己エネルギーは無限大である。^{[21] : 187}電磁気学のホイーラー-ファインマン吸収体理論は、自己エネルギーの問題を回避している。^{[21] : 213}彼らは、電子の加速に抵抗する見かけの力であるアブラハム-ローレンツ力を、宇宙に存在する他のすべての電荷から戻ってくる実際の力として解釈している。

ウィーラー-ファインマン理論は、時間の矢と量子非局所性の性質についての新しい考え方に影響を与えました。^{[22]この理論は宇宙論に影響を与え、}量子力学に拡張されました。^[23]同様のアプローチは、一般相対性理論と一致する重力の代替理論の開発に適用されました。^[24] ジョン・G・クレイマーはウィーラー-ファインマンのアイデアを拡張して、量子力学の トランザクション解釈を生み出しました。

アルバート・アインシュタインは1947年にマックス・ボルンに量子力学の問題について書いた手紙の中で「不気味な遠隔作用」と訳されるフレーズを使用し、1964年にはジョン・スチュワート・ベルが、量子力学は特定の離れた測定の結果において、いかなる局所理論よりも強い統計的相関を予測することを証明した。 ^[25]このフレーズは取り上げられ、もつれた量子状態の物理的に離れた測定間の小さな非古典的な相関の原因の説明として使用されている。相関は量子力学（ベルの定理）によって予測され、実験（ベルテスト）によって検証されている。ニュートンの万有引力のような公理ではなく、この「遠隔作用」の使用は、局所的な粒子ベースのモデルでは説明できない観測された相関に関係している。^{[26] [27]}これらの相関関係を「遠隔作用」として記述するには、粒子がエンタングルメント状態になってから遠く離れた場所に移動したという仮定が必要であるが、これは量子力学では必要とされない仮定である。^[28]

量子場理論では、遠隔作用は不要である。最も基本的なレベルでは、必要な力は 4 つだけである。それぞれの力は、特定のボソンの交換から生じると説明される。2 つは短距離で、中間子によって媒介される強い相互作用と弱いボソンによって媒介される弱い相互作用である。2 つは長距離で、光子によって媒介される電磁気力と、重力子によって媒介されると仮定される重力である。^{[29] : 132}しかし、力の概念全体は、高度な現代の素粒子物理学では二次的な関心事である。エネルギーは物理モデルの基礎を形成し、作用という言葉は、力を意味することから、位置エネルギーと運動エネルギーの差の積分という特定の技術的な意味に変化した。^{[29] : 173}

• 中心力 – ある点に向かう、またはある点から離れる機械的な力
• 局所性の原理 - 物体は周囲の環境からのみ影響を受けるという物理的原理
• 量子非局所性 – 局所実在論からの逸脱

•  この記事には、フリーコンテンツ作品からのテキストが組み込まれています。CC-BY-SA ライセンス。テキストは、Newton's action at a distance – Different views​、Nicolae Sfetcu から引用しました。