遠隔操作

物理的概念としての遠隔作用は、物体、距離、およびそれらの運動を特定する必要があります。古代では、自然界についての考え方はこのような用語で整理されていませんでした。動いている物体は、生き物としてモデル化されていました。^{[ 1 ]} 1600 年頃、科学的方法が根付き始めました。ルネ デカルトは、神学とは独立した物質と作用の考え方を発展させ、より根本的な見解を持っていました。ガリレオ ガリレイは、落下する物体と転がる物体の実験的測定について書きました。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まとめたものです。 ^{[ 2 ] : 132}電気および磁性材料に関する多くの実験は、力に関する新しい考え方につながりました。これらの努力は、ニュートンの力と重力に関する研究の基礎を築きました。

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経験的結果を再現できる新しい数学的解析を組み合わせた『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ており、任意の2つの物体は、その質量に比例し、それらの間の距離の2乗に反比例する力によって引き付けられる。^{[ 5 ]： 28}こうして、惑星の運動は、大きな距離にわたって作用する力を仮定することによって予測された。

この力の数学的表現は原因を示唆するものではなかった。ニュートンは遠隔作用を重力の不十分なモデルとみなした。^{[ 6 ]}ニュートンは、自身の言葉で遠隔作用を次のように考えていた。

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能力を持つ人間なら、決してそれに陥ることはないだろうと私は信じている。^{[ 7 ]}

1700 年代初頭の形而上学の科学者たちは、ニュートンの理論における説明のつか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、触れることもできず、機械的でもない」と不満を述べた。^{[ 1 ] : 339}さらに、天文学的データとの初期の比較は好ましいものではなかった。1700 年代を通じて数学的手法が向上するにつれて、この理論はますます成功を収め、ハレー彗星の回帰日を予測し^{[ 8 ]} 、 1846 年の海王星の発見を助けた。^{[ 9 ]}これらの成功と、19 世紀に向けて科学がますます経験主義的になったことにより、遠隔作用への嫌悪感にもかかわらず、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 ]}

1600年代初頭には、電気現象と磁気現象も体系的に研究され始めた。ウィリアム・ギルバートは、一種の電気的な雰囲気である「電気の放出」に関する初期の理論において、「物質は接触なしには作用できない」という理由で遠隔作用を否定した。^{[ 11 ]} しかし、その後の実験、特にスティーブン・グレイによる実験は、遠隔での電気効果を示した。グレイは「電気少年」と呼ばれる実験を開発し、直接接触なしで電気が伝わることを実証した。^{[ 10 ]}フランツ・エピヌスは1759年に、電気の遠隔作用理論が電気の放出理論よりも単純な代替理論となることを初めて示した。^{[ 5 ]： 42}この成功にもかかわらず、エピヌス自身は力の性質は未解明であると考えており、「遠隔作用の可能性を前提とする教義には賛成しない」と述べ、エーテルに基づく理論への移行の土台を築いた。^{[ 11 ]： 549}

1785年までに、シャルル＝オーギュスタン・ド・クーロンは、静止している2つの電荷が、それらの間の距離の2乗に反比例する力を受けることを示した。この結果は現在、クーロンの法則と呼ばれている。重力との驚くべき類似性は、少なくとも数学的モデルとしては、遠隔作用の根拠を強化した。^{[ 12 ]}

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・ポアソンらの研究をはじめとする数学的手法の進歩に伴い、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、空間全体にわたる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。この数学モデルは力学的媒体ではないが、そのような場のイメージは媒体に似ている。^{[ 2 ]： 197}

マイケル・ファラデーは、遠隔作用は（数学的な）ポテンシャル場の形であっても、電気力と磁力の説明としては不十分であると最初に提唱した人物である。^{[ 1 ]： 341}経験主義的な実験家であるファラデーは、電気力を伝達する何らかの媒体の存在を支持する3つの理由を挙げた。1）絶縁体におけ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現れる、3）放電火花は絶縁体で曲がる。これらの理由から、絶縁体の粒子は分極している必要があり、各粒子が連続的な作用に寄与していると結論付けた。彼はまた磁石を使った実験も行い、鉄粉によって可視化された力線を実証した。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介して相互作用する粒子に依存しており、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たない。^{[ 1 ]： 348}

ファラデーの観測をはじめとする様々な観測結果を受けて、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った。それは、静電気と動電気の両方を組み合わせた一連の方程式であり、電磁放射、すなわち光も含まれていた。 ^{[ 5 ]： 253}マクスウェルは当初、精緻な力学モデルから始めたが、最終的には動的なベクトル場を用いた純粋に数学的な処理にたどり着いた。これらの場が光を伝播させるために振動する必要があるという考えから、伝播媒体の探索が始まった。その媒体は、光を伝えるエーテル、あるいはエーテルと呼ばれた。^{[ 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について考察し、ファラデー自身が媒質の観点からこれらの力線の力学的モデルを提供しなかったことを注意深く指摘した。しかしながら、これらの力線の多くの特性は、これらの「線を単なる数学的抽象概念とみなしてはならない」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、実験家にとっての「貴重な助け」、さらなる実験を示唆する手段として捉えていた。

ファラデーは、さまざまな種類の作用を区別するために、3つの基準を提案した。1) 追加の物質が作用を変化させるか、2) 作用に時間がかかるか、3) 作用は受け側に依存するか、である。電気に関しては、ファラデーは電気作用がこれら3つの基準すべてを満たすことを知っていたが、重力は3番目の基準しか満たさないと考えられていた。マクスウェルの時代以降、エネルギーの伝達という4番目の基準が追加され、これは電気にも当てはまるが重力には当てはまらないと考えられた。重力に関する新しい理論の出現により、現代の重力理論では、追加の物体への依存性を除くすべての基準が重力に当てはまるとされている。

マクスウェルの場の方程式の成功により、19 世紀後半には、主に力学モデルを用いて電気場、磁場、重力場を表現する試みが数多く行われた。^{[ 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星の位置のずれである恒星光行差の良いモデルはなかった。最良のモデルでは、地球が動いている間エーテルは静止している必要があったが、エーテルを通過する地球の運動の影響を測定する実験では、影響は見られなかった。

1892年、ヘンドリック・ローレンツは、マクスウェルの厳密な巨視的連続理論ではなく、出現しつつあった微視的分子モデルに基づく修正エーテルを提案した。^{[ 14 ]： 326}ローレンツは、静止エーテル内の運動する孤立電子の相互作用を研究した。^{[ 5 ]： 393}彼はこのようにしてマクスウェル方程式を再導出したが、重要なことに、その過程で、運動する電子の座標で波動を表すように方程式を変更した。彼は、特定のスケーリング係数を使用して変換すると、 波動方程式が同じ形式になることを示した。$${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-(u^{2}/c^{2})}}}.}$$ どこ${\displaystyle u}$は移動する電子の速度であり、${\displaystyle c}$は光速である。ローレンツは、この係数を静止したエーテル中の運動する物質の長さの収縮として適用すると、実験結果と一致して、エーテルを通過する運動の影響がなくなることを指摘した。

1899年、アンリ・ポアンカレはエーテルの存在に疑問を呈し、相対性原理がエーテルモデルの提唱者が想定する絶対運動を否定することを示した。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。${\displaystyle u}$この変換により、電磁気方程式はあらゆる等速運動慣性系において同じ形になります。そして1905年、アルベルト・アインシュタインは、相対性原理を時間の同時性と光速の一定性に適用することで、ローレンツ変換を正確に予測できることを示しました。この特殊相対性理論は、すぐに現代の時空の概念となりました。

こうして、当初は遠隔作用とは全く異なるエーテルモデルは、徐々に単純な空虚空間に似たものへと変化していった。^{[ 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がローレンツ変換によって必要とされると提唱し^{[ 15 ]}、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する質量が重力波を生成するはずだと示唆した^{[ 16 ]} 。しかし、1915年までは、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別個のものであった。その年、アインシュタインは、相対性理論と整合する時空の場理論である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たな効果は宇宙論にとっては劇的であったが、惑星の運動や地球上の物理学にとっては小さなものであった。アインシュタイン自身もニュートンの「途方もない実用的成功」を指摘した^{[ 17 ] 。}