基本的な相互作用

アイザック・ニュートンは1687年の理論で、空間を無限かつ不変の物理構造として仮定し、すべての物体の前、内部、周囲に存在し、それらの状態と関係はどこでも一定のペースで展開し、絶対的な空間と時間となるとした。質量を持つすべての物体は一定の速度で接近するが、質量に比例した衝撃で衝突すると推論し、ニュートンは物質が引力を示すと推論した。彼の万有引力の法則は、すべての物体間に瞬間的な相互作用があることを示唆していた。^{[ 3 ] [ 4 ]}従来の解釈では、ニュートンの運動理論は、伝達媒体のない中心力をモデル化していた。 ^{[ 5 ] [ 6 ]}したがって、ニュートンの理論は、デカルトに遡る遠隔作用は存在しないという伝統に反していた。^{[ 7 ]}逆に、1820年代に磁気を説明する際に、マイケル・ファラデーは空間を満たし、その力を伝達する場を推論した。ファラデーは、最終的にはすべての力が1つに統合されると推測した。^{[ 8 ]}

1873年、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、電気と磁気を電磁場の作用として統一し、その第三の結果として真空中を一定速度で移動する光が生じるとした。彼の電磁場理論がすべての慣性系で成り立つとすれば、ガリレオ相対性理論に基づくニュートンの運動理論と矛盾することになる。^{[ 9 ]}一方、彼の場理論が、物質内であろうと真空中であろうとすべての空間を満たし、電磁場を顕現させると想定される機械的な光を伝えるエーテルに対して静止している参照系にのみ適用されるとすれば、ガリレオ相対性理論とニュートンの法則と調和することができた。（しかし、このような「マクスウェル・エーテル」は後に否定され、ニュートンの法則は実際に置き換えられることになった。）^{[ 10 ]}

素粒子物理学の標準模型は、20世紀後半を通じて開発されました。標準模型では、電磁相互作用、強い相互作用、弱い相互作用は素粒子と関連付けられ、素粒子の振る舞いは量子力学（QM）でモデル化されます。QMの確率的結果で予測の成功を得るために、素粒子物理学では慣習的に、特殊相対性理論に設定された場全体にわたるQMイベントをモデル化し、全体として相対論的量子場理論（QFT）としています。^{[ 11 ]}ゲージボソンと呼ばれる力粒子（基礎となる場の力の伝達粒子またはメッセンジャー粒子）は、フェルミオンと呼ばれる物質粒子と相互作用します。

日常の物質は原子で構成されており、原子は3種類のフェルミオン、すなわち原子核を構成するアップクォークとダウンクォーク、そしてその周りを回る電子から成り立っています。原子は相互作用し、分子を形成し、電子間の電磁相互作用によってさらに様々な性質を発揮します。電子は電磁場の力の伝達体である光子を吸収・放出し、光子は妨げられなければ無限の距離を伝播する可能性があります。電磁気学における量子場理論は量子電磁力学（QED）です。

弱い相互作用の力の担い手は、質量を持つWボソンとZボソンです。電弱理論（EWT）は、電磁気と弱い相互作用の両方を扱います。ビッグバン直後の高温では、弱い相互作用、電磁相互作用、ヒッグス粒子は、もともと異なる古代の対称性の破れ前の場の混合成分でした。初期宇宙が冷えるにつれて、これらの場は長距離の電磁相互作用、短距離の弱い相互作用、ヒッグス粒子に分裂しました。ヒッグス機構では、ヒッグス場はヒッグス粒子を顕現し、いくつかの量子粒子と相互作用して、それらの粒子に質量を与えます。クォーク間の微小な距離を移動するグルーオンを力の担い手とする強い相互作用は、量子色力学（QCD）でモデル化されています。EWT、QCD、およびヒッグス機構は、素粒子物理学の標準模型（SM）を構成します。予測は通常、計算による近似法を用いて行われるが、このような摂動理論は、一部の実験的観測（例えば、束縛状態やソリトン）をモデル化するには不十分である。それでもなお、物理学者たちは標準模型を科学において最も実験的に検証された理論として広く受け入れている。

重力は原子スケールにおける4つの相互作用の中で最も弱く、原子スケールでは電磁相互作用が支配的である。

重力は、天文学的な距離にある天体にとって、4つの基本力の中で最も重要な力である。理由は2つある。第一に、重力は電磁気力のように無限の有効範囲を持つが、強い相互作用や弱い相互作用とは異なる。第二に、重力は常に引きつけ、決して反発しない。対照的に、天体はほぼ中性の正味電荷に向かう傾向があり、ある種類の電荷への引力と反対の電荷からの反発力がほぼ相殺される。^{[ 13 ]}

電磁力は重力よりもはるかに強いものの、惑星、恒星、銀河といった大きな天体においては、静電気による引力は関係ありません。なぜなら、これらの天体は陽子と電子の数が等しく、正味の電荷がゼロだからです。重力は引力のみを持つため、引力と斥力の両方を持つ電気力とは異なり、重力を「打ち消す」ものはありません。一方、質量を持つすべての物体は引力のみを持つ重力の影響を受けます。したがって、宇宙の大規模構造においては、重力のみが重要なのです。

重力は広範囲に及ぶため、銀河やブラックホールの構造といった大規模な現象の原因となり、また引力のみを持つため、宇宙の膨張を遅らせる働きもします。さらに、重力は惑星の軌道といったより小規模な天体現象や、物体が落下する、重い物体が地面に張り付いているかのように振る舞う、動物が跳躍できる高さには限界があるといった、日常生活における様々な現象も説明できます。

重力は、数学的に記述された最初の相互作用でした。古代、アリストテレスは、質量が異なる物体は異なる速度で落下するという仮説を立てました。科学革命の時代に、ガリレオ・ガリレイは、特定の状況下ではこの仮説が間違っていることを実験的に証明しました。大気が存在する場合の空気抵抗と浮力による摩擦を無視すると（例えば、空気で満たされた風船を落とした場合と水で満たされた風船を落とした場合）、すべての物体は同じ速度で地球に向かって加速します。アイザック・ニュートンの万有引力の法則（1687年）は、重力の挙動の良い近似値でした。現代の重力の理解は、1915年のアインシュタインの一般相対性理論に由来しており、時空の幾何学の観点から重力をより正確に（特に宇宙論的な質量と距離に関して）記述しています。

一般相対性理論と量子力学（または量子場理論）を統合して、より一般的な量子重力理論を構築することは、活発な研究分野である。重力は、重力子と呼ばれる質量のないスピン2の粒子によって媒介されるという仮説が立てられている。

一般相対性理論は、（少なくとも弱い場、つまりブラックホール以外の場合において）最小スケールを除くすべてのスケールで実験的に確認されているが、一般相対性理論に代わる理論も存在する。これらの理論は、ある極限においては一般相対性理論に帰着するはずであり、観測研究の焦点は、一般相対性理論からの逸脱がどの程度まで許容されるかの限界を確立することにある。

提案されている余剰次元は、重力が非常に弱い理由を説明できるかもしれない。^{[ 14 ]}

電磁力と弱い相互作用は、日常的な低エネルギー領域では非常に異なっているように見える。これらは2つの異なる理論を用いてモデル化することができる。しかし、統一エネルギー、すなわち100 GeV程度のエネルギーを超えると、両者は単一の電弱力に融合する。

電弱理論は、現代宇宙論、特に宇宙の進化の過程において非常に重要である。これは、ビッグバン直後、温度がまだ約10¹⁵K以上であった時期には^、電磁力と弱い力が結合して電弱力として作用していたためである。 

素粒子間の弱い相互作用と電磁相互作用の統一への貢献により、アブドゥス・サラム、シェルドン・グラショウ、スティーブン・ワインバーグは1979年にノーベル物理学賞を受賞した。 ^{[ 15 ] [ 16 ]}

電磁気

電磁気とは、電荷を帯びた粒子間に働く力のことである。この現象には、静止している荷電粒子間に働く静電気力と、互いに相対的に運動している荷電粒子間に働く電気力と磁力の複合的な効果が含まれる。

電磁気力は重力と同様に無限の範囲に及ぶが、その力は重力よりもはるかに強い。電子を原子に結びつけ、分子同士を結合させる力であり、光、磁石、電気、摩擦といった日常的な現象の原因となっている。電磁気力は、化学元素のあらゆる巨視的な性質、そして多くの原子レベルの性質を根本的に決定づける。

4キログラム（約1ガロン）の水差しには、

${\displaystyle 4000\ {\mbox{g}}\,{\rm {{H}_{2}{\rm {{O}\cdot {\frac {1\ {\mbox{mol}}\,{\rm {{H}_{2}{\rm {O}}}}}{18\ {\mbox{g}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {10\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}{1\ {\mbox{mol}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {96,000\ {\mbox{C}}\,}{1\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}}=2.1\times 10^{8}C\ \,\ }}}}}$

総電子電荷。したがって、そのような水差しを 2 つ 1 メートル離して置くと、一方の水差し内の電子はもう一方の水差し内の電子を の力で反発します。

${\displaystyle {1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{\frac {(2.1\times 10^{8}\mathrm {C} )^{2}}{(1m)^{2}}}=4.1\times 10^{26}\mathrm {N} .}$

この力は地球の重さの何倍も大きい。一方の容器内の原子核は、もう一方の容器内の原子核を同じ力で反発する。しかし、これらの反発力は、容器A内の電子と容器B内の原子核との引力、および容器A内の原子核と容器B内の電子との引力によって相殺され、結果として正味の力はゼロになる。電磁力は重力よりもはるかに強いが、天文学的な規模の物体では重力が支配的になるように、互いに打ち消し合う傾向がある。

電気現象と磁気現象は古代から観測されてきたが、電気と磁気が同一の根本的な相互作用の二つの側面であることを発見したのは19世紀のジェームズ・クラーク・マクスウェルであった。1864年までに、マクスウェル方程式はこの統一された相互作用を厳密に定量化した。ベクトル解析を用いて再定式化されたマクスウェル理論は、電磁気学の古典理論であり、ほとんどの技術的目的に適している。

真空中における光速の一定性（通常は小文字のcで表される）は、特殊相対性理論と整合するマクスウェル方程式から導き出すことができる。しかし、観測者の速度に関わらず光速が一定であるという観察から導かれるアルベルト・アインシュタインの 1905 年の特殊相対性理論は、マクスウェル方程式が示唆する理論的結果が、電磁気学をはるかに超えて、時間と空間の本質そのものに深い影響を与えることを示した。

古典電磁気学から逸脱した別の研究で、アインシュタインは、光が周波数に基づいて特定のエネルギー含有量を持つ「量子」で伝達されるというマックス・プランクの発見を利用して光電効果も説明しました。これは現在、光子と呼ばれています。1927年頃から、ポール・ディラックは量子力学と相対論的電磁気学理論を組み合わせました。1940年代には、リチャード・ファインマン、フリーマン・ダイソン、ジュリアン・シュウィンガー、朝永慎一郎らによるさらなる研究によってこの理論が完成し、現在では量子電磁力学と呼ばれる、改訂された電磁気学理論となっています。量子電磁力学と量子力学は、量子トンネル効果などの電磁気的挙動の理論的基礎を提供します。量子トンネル効果とは、電荷を帯びた粒子の一定割合が、古典電磁気理論では不可能な方法で移動する現象であり、トランジスタなどの日常的な電子機器が機能するために必要なものです。

強い相互作用、すなわち強い核力は、距離によって変化する性質のため、最も複雑な相互作用です。核力は、約1フェムトメートル（fm、10⁻¹⁵メートル）の距離では核子間に強い引力を及ぼしますが^、約2.5 fmを超える距離では急速に弱まり、無視できるほどになります。0.7 fm未満の距離では、核力は斥力に変わります。この斥力成分が原子核の物理的な大きさを決定づけており、核子は力によって許される以上に近づくことはできません。

1908年に原子核が発見された後、正に帯電した陽子の静電反発力（電磁気の現れ）を克服するために、今日では核力として知られる新たな力が必要であることが明らかになった。そうでなければ、原子核は存在し得なかった。さらに、その力は陽子を直径約10⁻¹⁵mの体積に押し込めるほど強くなければならず^、 これは原子全体の体積よりもはるかに小さい。この力の作用範囲が短いことから、湯川秀樹は、この力が質量約100MeVの巨大な力粒子と関連していると予測した。

1947年のパイ中間子の発見は、素粒子物理学の現代を切り開いた。1940年代から1960年代にかけて数百ものハドロンが発見され、ハドロンを強い相互作用をする粒子として捉える極めて複雑な理論が構築された。中でも特筆すべきは以下の通りである。

• パイオンは真空凝縮体の振動であると理解されていた。
• 桜井淳は、アイソスピンとハイパーチャージの近似的な対称性に対して、ローベクトルボソンとオメガベクトルボソンが力を運ぶ粒子であると提唱した。
• ジェフリー・チュー、エドワード・K・バーデット、スティーブン・フラウチは、より重いハドロンを、弦の振動および回転励起として理解できるファミリーに分類した。

これらのアプローチはいずれも洞察を与えてくれたものの、いずれも根本的な理論に直接結びつくものではなかった。

マレー・ゲルマンはジョージ・ツヴァイクとともに、1961年に分数電荷を持つクォークを初めて提唱した。1960年代を通して、様々な研究者が、現代の量子色力学（QCD）の基本理論に似た理論を、クォークの相互作用の単純なモデルとして検討した。QCDのグルーオンを最初に仮説として提唱したのは、ムーヨン・ハンとヨイチロウ・ナンブで、彼らはクォークの色電荷を導入した。ハンとナンブは、それが力を伝える場と関連している可能性があると仮説を立てた。しかし当時、そのようなモデルがどのようにしてクォークを永久に閉じ込めることができるのかは理解し難かった。ハンとナンブはまた、各クォークの色に整数の電荷を割り当てたため、クォークは平均的に分数電荷を持つだけであり、彼らのモデルではクォークが永久に閉じ込められるとは予想していなかった。

1971年、マレー・ゲルマンとハラルド・フリッチュは、ハン/南部カラーゲージ場が、分数電荷を持つクォークの短距離相互作用の正しい理論であると提唱した。少し後、デイビッド・グロス、フランク・ウィルチェック、デイビッド・ポリッツァーは、この理論が漸近的自由性という性質を持ち、実験的証拠と接触できることを発見した。彼らは、QCDが強い相互作用の完全な理論であり、あらゆる距離スケールで正しいと結論付けた。漸近的自由性の発見により、クォークが永久に閉じ込められている場合、強い相互作用の長距離特性でさえ実験と矛盾しないことが明らかになったため、ほとんどの物理学者がQCDを受け入れるようになった。つまり、強い力は距離とともに無限に増加し、クォークをハドロン内に閉じ込めるのである。

クォークが閉じ込められていると仮定すると、ミハイル・シフマン、アルカディ・ヴァインシュタイン、ヴァレンタイン・ザハロフは、真空を記述するためのわずかな追加パラメータのみを用いて、QCDから直接多くの低エネルギーハドロンの特性を計算することができた。1980年、ケネス・G・ウィルソンはQCDの第一原理に基づいたコンピュータ計算を発表し、QCDがクォークを閉じ込めることをほぼ確実と言えるレベルで確立した。それ以来、QCDは強い相互作用の確立された理論となっている。

QCDは、分数電荷を持つクォークがグルーオンと呼ばれる8種類のボソン粒子を介して相互作用する理論です。グルーオンはクォークだけでなく、グルーオン同士も相互作用し、長距離では力線が弦状に収束します。この弦は、一定の引力である線形ポテンシャルによって大まかにモデル化されます。このように、QCDの数学理論は、クォークが短距離でどのように相互作用するかだけでなく、チューとフラウチによって発見された、長距離で現れる弦のような振る舞いも説明します。

慣習的に、ヒッグス相互作用は4つの基本力には含まれない。^{[ 17 ] [ 18 ]}

それにもかかわらず、ゲージ相互作用でも微分同相対称性によって生成されるものでもないが、ヒッグス場の3次湯川結合は弱い引力を持つ5番目の相互作用を生み出す。ヒッグス機構による自発的対称性の破れの後、湯川項は次の形のまま残る。

${\displaystyle {\frac {\lambda _{i}}{\sqrt {2}}}{\bar {\psi }}\phi '\psi ={\frac {m_{i}}{\nu }}{\bar {\psi }}\phi '\psi }$、

湯川カップリング付き$\displaystyle \lambda _{i}}$粒子質量${\displaystyle m_{i}}$（eV単位）およびヒッグス真空期待値246.22  GeV。したがって、結合した粒子は仮想ヒッグス粒子を交換することができ、次の形式の古典ポテンシャルが得られます。

${\displaystyle V(r)=-{\frac {m_{i}m_{j}}{m_{\rm {H}}^{2}}}{\frac {1}{4\pi r}}e^{-m_{\rm {H}}\,c\,r/\hbar }}$、

ヒッグス質量125.18  GeV。ヒッグス粒子の縮小コンプトン波長は非常に小さいため（1.576 × 10 ⁻¹⁸  m （ WボソンやZボソンに匹敵する）のこのポテンシャルは、数アトメートルの有効範囲を持つ。2つの電子の間では、弱い相互作用よりも約10 ¹¹倍弱く始まり、ゼロでない距離では指数関数的に弱くなる。