電磁気学の世界観です。
全面的に、理科に詳しい父親の話を参考にしています。
物質は、原子からできている。原子は、電子と陽子と中性子からできている。
原子核は、陽子と中性子から成り立ち、この周りを電子が回っている。電子は負の電荷（-e）を、陽子は正の電荷（+e）を持ち、中性子は電荷をもたない。
通常、電子と陽子の数が同じである時、この原子の電気は中性である。だが、電子はほかの原子に移動して増えたり減ったりする。その都度、正あるいは負の電気を帯びる。これをイオンと呼ぶ。
電子が移動しやすい物質、すなわち電気を通しやすい物質を導体と呼ぶ。これに対して、電気を通さない物質を不導体と呼ぶ。
通常、電子の数（＝陽子の数）によって物質の種類（元素）が決まる。
同じ元素であっても、中性子の数が異なる元素が複数ある。これを同位体と呼ぶ。同位体には放射性同位体があり、放射能を発生させる場合がある。
（以上は、父親が大学で使っていた英語の教科書である、「Electricity and Magnetism (B. I. Bleaney and B. Bleaney)」の中から、自分でも理解できた内容を参考に執筆しました（原文は英語）。1963年の古い本であり、オックスフォードなどで使われている電磁気学の基本の教科書です。）
理科に詳しい父親の話を参考にしています。
光には、宇宙の基準としての側面がある。
光は、粒子であり波である。
光の速度以上速いものは存在しない。光の速度以上速く進むことは出来ない。光の速度が宇宙における最高速度である。
光の速度で移動すると、時間が止まる。
光の速度で移動すると、質量が無限大になる。
光は植物が光合成で吸収し、植物の蓄えるエネルギーとなる。
光はエネルギーであり、電流や熱となる。ものは光を吸収し、反射する。
光は、水やガラスのような透明な物質を通る時に、屈折して曲がることがある。
この時、丸く作られたガラスを通すことで、光はそれぞれの地点でガラスに入る時と出る時にちょうど少しずつ違って上手く屈折するために、焦点と呼ばれる一つの点に集まる。
焦点（焦げる点）と呼ばれるのは、これによって太陽の光を一つの地点に集めて、紙を焦がすことで遊べるからである。
また、レンズのような光が上手く屈折するように作られたガラスでは、ものの像を大きくしたり、小さくすることが出来る。
また、丸く作られたガラスではなく、表面が平たいガラスに角度をつけて光を通すと、光を虹色のようにさまざまな色に分けることが出来る。
この平たいガラスはプリズムと呼ばれる。
この時、虹色の色は紫、青、緑、黄色、赤、といった綺麗な色に分かれる。それは、それぞれの光が曲がり方が違うからである。
そして、白い光にはこれら全ての光が混ざっている。それぞれの色は、波としての波長が違う。この波長のことをスペクトルと呼ぶ。
物質に光を当てると、物質の素材によって、特定の波長の光を反射し、吸収する。
白い色は、その物質の素材が全ての色の光を反射している。黒い色は、全ての色の光を吸収している。
赤は赤、青は青など、特定の色は特定の色の光だけを反射し、あとの光を吸収する。
普通の物体のような、太陽の光を反射して色を発生させている物体のことを反射体と呼ぶ。
また、信号の光のような、自ら光を発生させている物体のことを発光体と呼ぶ。
太陽の光が無くなった時、反射体は暗闇で見えなくなり、発光体だけが見えるようになる。
光の三原色には、二種類が存在する。
まず、RGBは、発光体などで用いられる光の三原色で、赤(R)、緑(G)、青(B)の光の混ざり具合で色を表現する。3つの色全てを混ぜると白になる。
そして、CMYKは、印刷などで用いられる光の三原色で、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)、黒(K)の光の混ざり具合で色を表現する。CMYの3つの色全てを混ぜると黒(K)になる。
理科に詳しい父親の話を参考にしています。
全ての物質は原子で出来ている。
原子は、陽子が集まった原子核の周りを電子が回っている、と言うモデルで考えられる。
原子は、陽子の数の違いによって物質の種類が決まっている。
これを周期表と言う。
水素は1個、ヘリウムは2個の陽子で出来ている。
電子も、陽子と同じだけ周りを周っている。だが、銅のような電気を通す物質では、隣の銅の原子に電子が移動することがある。
これを、自由電子の移動と言う。電流が流れるとは、そのような移動する自由電子のことを言っている。
あふれた電子が隣の原子に移動し、それがまた次の電子をあふれさせて次の原子へと移動していく。これが、電流である。
電流を水が流れるようなものと言う説明をすることがあるが、一直線に移動すると言うイメージよりは、バケツリレーのようなイメージの方が良い。
電池を銅に繋いだ時、電池の電圧によって、銅に電子が押し込まれる。それがバケツリレーのように移動していって、電流が流れる。
どれだけの電流が流れるかは、電圧の大きさと経路の違いによって決まる。
たとえば、大きな豆電球を繋ぐと大きな電流が流れるが、小さな豆電球を繋ぐと小さな電流が流れる。
電圧(E)の単位をV（ボルト）と言い、電流(I)の単位をA（アンペア）と言い、抵抗(R)の単位をΩ（オーム）と言う。
ここで、オームの法則と言う法則が成立する。それは以下のようになる。
\[ I=\frac{E}{R} \]
たとえば、1.5Vの電池2本に0.3Ωの電球を繋いだ場合、電流は10Aとなる。
磁石があると、その周りに磁界が生まれる。これを磁場と言う。磁界には、大きさと向きのある力（磁力）が発生する。これを線で結んだものを磁力線と呼ぶ。
磁力による場を磁場、電気力による場を電場、重力による場を重力場と呼ぶ。
重力と磁力や電気力はよく似ている。実際、クーロンの法則と呼ばれる2つの電荷（磁荷）の間に発生する力を表す法則は、万有引力定数がクーロン定数、物質の質量が電荷や磁荷になっただけで、ニュートンの万有引力の法則とまったく同じである。力学を参照のこと。
電荷に関するクーロンの法則：
\[F=k\frac{q_1 q_2}{r^2}\]
磁荷に関するクーロンの法則：
\[F=k_m\frac{m_1 m_2}{r^2}\]
しかしながら、電気力と磁力については、プラスとマイナスの力があり、引き合う力と反発する力がある。これに対して重力には引き合う力しかない。そのため、「万有引力にもマイナスの質量があるのではないか」と発見が期待されている。
磁荷にはN極とS極があり、N極とS極は引きつけ合うが、N極同士あるいはS極同士ならば反発する。電気力にも+と-がある。
後日注記：しかしながら、万有引力定数とクーロン定数は、その量の大きさに大きな差がある。万有引力に比べてクーロン力（静電気力）は圧倒的に力が強い。そのため、地球で生活する上で、考慮すべきなのはクーロン力の方であり、重力を除けば万有引力はまったく無視してもほとんど困らない。
後日注記：ここで、kmのようにkに下付き文字のmがついているのは、別のkと区別するためであり、特別な意味はありません。q1とq2、m1とm2も同様です。なんてことはありませんが、これが分かると物理学の数式が読みやすくなります。
後日注記：すみません、上の「特別な意味はありません」は言いすぎでした。実際には、力をFとして表す際に、それが万有引力の力なのか、それともクーロン力なのかを記述する際などに、二つのFそれぞれを区別して関係性を記述するために、このような下付き文字を使用します。
後日注記：物理量を表す時に、単位に名前をつけたり順序を指定したりすることで区別する必要がある時などに、このような下付き文字を使用する。
後日注記：代数を表す際、アルファベットは26文字しかありません。添え字を使うことで、同じアルファベットであっても別の数であることを区別することができます。
（詳しくは放送大学「自然科学はじめの一歩 ('15)」が参考になります。また、理科に詳しい父親の話を参考にしています。）
今の物理学では、電気力と磁力に関しては、引き合う力と反発する力の両方が確認されているが、重力に関しては、引き合う力だけであり、反発する力は確認されていない。
そのため、「重力にも反発する力があるのではないか」と、科学者たちは「反重力」を発見しようと考え、研究している。
僕が思うに、「マイナスの質量」がもしあったとして、それを作ることができたら、「反重力物質」が確認され、ノーベル賞をとれると思う。
今作られているリニアモーターカーは、磁力の力で地面から浮いて高速に走るように作られているが、これが反重力物質によって、もっと簡単に作られることがあるかもしれない。
エジプトのピラミッドのような、巨大建築物の製造にかかわった人間は、「反重力物質の存在を知っていて、それを使ったのではないか」とも言われることがある。
（以下は放送大学「自然科学はじめの一歩 ('15)」を参考に執筆しました。）
「場」と「力線」の考え方を作ったのは、マイケル・ファラデー。ファラデーは磁石のまわりに磁場と磁力線が生まれることを示し、また月と地球の間の遠くの距離間での力の作用について、地球が作り出す重力の場と力線に沿う形で、月が力を受けるのだという「近接作用」の考え方を考えた。
マクスウェルは、このファラデーの考え方に対し、数学的に数式化することで、電磁気学と電磁場の学問の体系を作り上げた。
同時に、ファラデーは「電磁誘導の法則」を発見する。これは、電荷から電場が生まれる時、または電流から磁場が生まれる時に、時間によって変化する磁力線に、電気力線がまとわりつくように発生する現象についての法則のこと。これにより、磁場を変化させることで発電することができるようになった。
これに対しても、マクスウェルが数学的に数式化する。マクスウェル方程式により、ファラデーが想像力で考えた「空間に満たされるように存在する力線」が数式として理論化され、場と力線の学問体系となった。
マクスウェルは、もうひとつ、「光は電磁波である」ということを記述することに成功した。ファラデーの法則により、磁場は電場を生み、電場は磁場を生み出す。このような磁場と電場の時間変動により、荷電粒子から離れた空間を、波として電磁波が伝わり、伝播していく。この伝播速度が光の速度とあまりにも等しく一致するため、電磁波が光であると考えられた。ほかにもさまざまな理由から「光は電磁波である」ということを確信させるに至った。
電磁気学において重要なマクスウェル方程式は、以下となる。
\[ \begin{eqnarray} \nabla\cdot\boldsymbol{E} &=& \rho / \varepsilon_0\\ \nabla\cdot\boldsymbol{B} &=& 0\\ \nabla\times\boldsymbol{E} &=& -\frac{\partial\boldsymbol{B}}{\partial t}\\ \nabla\times\boldsymbol{B} &=& \mu_0\boldsymbol{j}+\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial\boldsymbol{E}}{\partial t} \end{eqnarray} \]
（以上は放送大学「自然科学はじめの一歩 ('15)」を参考に執筆・引用しました。）
2024.03.02
まったく不勉強な僕が、知らないながらに考えたことを言うと、微分方程式が、ニュートンのような力学だけではなく、電磁気学のようなほかの学問にも多く使われる理由は、「万有引力の法則とクーロンの法則が同じであるから」ということがあるのではないかと思います。
すなわち、力学においての法則と、電磁気学についての法則は、万有引力の法則とクーロンの法則のレベルから見て、同じことをやっているのです。
どちらの法則も、宇宙においてまったく同じ考え方や原理に基づく法則であるため、力学において微分や積分の考え方が成り立つのと同様、電磁気学においても微分や積分の考え方が成り立つのです。
大学の物理学のつまらない点は、力学や電磁気学においては、微分方程式ばかり出てきます。物理学では、ほかには統計力学で使うようなlogや、指数関数のexp()ぐらいが主に登場します。この詳細をすべて暗記することに意味はありません。「なぜこのような公式があるのか」ということを、哲学者になったつもりでわたしたちは考えなければいけないのです。
自分の書いたブログ「わたしの名はフレイ」2020/09/19より。
僕は、物理学を考える上で、「光」というものを中心に考えてみたい。
光は、電流と電磁波、相対性理論、量子力学、原子力、太陽、光合成、気象、そして人間の知覚などに大きく関連する重要なファクターだからである。
まず、物質において、電子が導体を伝って流れとなることを電流と言う。
この電流は、周波数（波の回数）が低い中では物体である導体の中を流れるが、マルコーニなどが発見したこととして、周波数を高くすると空間の中を流れるようになる。
これを、電波あるいは電磁波と呼ぶ。
また、レントゲンは、特殊な装置で作った不思議な波である「X線」が物質の中をすり抜けることを発見した。
この波のことを放射線と言い、放射線は電波よりもさらに周波数が高い。
光は電磁波や放射線と到達する速度が同じであることから、それらの仲間であるとされている。
また、光にはエネルギーがある。
光のエネルギーは、電流や運動のエネルギーに変換することができる。
電波も参照のこと。
現代物理において、光は多くの重要なファクターを持っている。
まず、相対性理論において、「光の速度は不変」であり、光の速度に近い速度で運動すると、時間の流れ方が遅くなる。
その物質から見ると普通の時間で流れているように見えて、外から見ると時間が遅く流れてしまう。
これは、「時間と空間は4次元の中のリンクされた軸である」ということを示している。
また、量子力学においては、光は波と粒子の二重性を持っている。
これも、光が波から別の物質である粒子になるわけではなく、人間から見て波の特性を示すこともあれば、粒子の特性を示すこともある。
また、原子力においては、物質の持つエネルギーは、\(e=mc^2\)として、質量×光速度の二乗であるとされている。
相対性理論も参照のこと。
光の速度が原子力において重要な側面を持っているのは、太陽が核融合によって巨大なエネルギーを放出している、ということである。
核分裂は、ウランやプルトニウムの原子が分裂し、原子核が別の物質になることでエネルギーを発生させるが、中性子による核分裂の連鎖反応が起きることで、このエネルギーは巨大になる。
核融合は、原子核が分裂するのではなく融和することを利用し、水素がヘリウムになる時のエネルギーを利用して、核分裂よりも巨大な核融合を発生させる。
太陽のような爆発する水素のかたまりは、この核融合の仕組みで、光のエネルギーを発生させている。
核エネルギーも参照のこと。
地球において、光の果たしている役割は大きい。
まず、地球全てを照らす光を与えている。
太陽の光がなければ、地球は暗闇であり、外の様子は真っ暗になってしまう。
また、大気と水のある地球において、大気を温めて温暖な気候にしているほか、海水を温めて水蒸気を発生し、雲や雨を降らせる主原因となっている。
また、春夏秋冬の季節の変化を作り、昼と夜を作り、北と南の気温差を作っている。
何より、太陽の光は、植物の光合成の原因となっている。
植物は、二酸化炭素と水と光から、炭水化物と酸素を発生させる。
この炭水化物が、動物や人間の食物となっており、人間の動くエネルギー（消化器によって吸収され体の燃料に使われる）や
動物の体を形成させる炭水化物・タンパク質・脂質などの主原因となっている。
同時にこうした植物の化石が地中に積もり積もって石油となっており、自動車や火力発電所の燃料となっている。
また、長いスパンで見ると、気候の変動によって恐竜は絶滅し、変温動物から恒温動物が生まれたが、太陽の光は「熱」によって地上の気温がどの程度になるかを決定している前提となっている。
植物学も参照のこと。
最後に、光は人間の知覚にとって重要である。
人間の見ている「色」は光の波長のことであり、色とは「どの波長の色は物体に吸収され、どの色は反射するか」ということである。
自ら発光する発光体もあれば、反射や屈折によって光を放つものもある。
プリズムとスペクトルによって光の色を分解する実験ができる。
光がなければ、人間の「眼」は生まれることがなく、人間はコウモリのように外部の様子を知ることができない。
そのため、外の「景色」やものの「色や形」を人間が認識することはできず、人間の眼と同じ「レンズ」の仕組みがなければ、カメラやディスプレイのようなものが生まれることもない。
また、現実だけではなくフィクションやクリエイティブの世界においても、
「美術」や「デザイン」の分野において、光の表現はとても重要である。
単に光の表現やマンセルの色相環などの色彩論だけではなく、現実ではない「想像力」の世界では、人間はこの世界に存在しない「作られた世界」を考えることができ、これは芸術だけではなく、心理学的な「夢分析」についても同じである。
人間がこの世界を知る手段は光であり、IT技術においては、モニターに映る文字のほか、VRを使った仮想現実や、動画配信・共有サービスなども全て、人間によって加工された「フィクションの光の世界」であると考えられる。
美術・イラストも参照のこと。
このように、光はとても重要な物理要素であり、「光がなければこの世界はない」と言ってもいいぐらい、この宇宙における「第一要因」の詰まった研究分野であると言える。
光がどのような性質を持っているかを知ることで、植物の光合成の仕組みも解明でき、二酸化炭素の増大による地球温暖化や、海面の温暖化によるスーパー台風などの異常気象を救うことにも繋がる。
ソーラー発電などの再生可能エネルギーは、石油などの化石燃料の代わりになることが期待されている。
実際のところ、僕の提唱する、空間に存在する原子の理論、すなわち空間原子論は、新しいエーテルの理論です。
なぜなら、空間原子論においては、「光は空間原子の中を伝わる波である」と考えるからです。
そして、アインシュタインは相対性理論において、「空間も歪んで変化する」ということを考えました。
これは、重力などの影響で空間原子に力がかかって、空間原子が曲がってしまうせいで、空間が歪んで変化するのです。
ですが、アインシュタインは、「空間は捻じ曲がる」ということを考えただけで、「積極的に空間を変化させる」ということまでは考えませんでした。
空間原子論は、そこが違います。空間原子論においては、空間原子を積極的に操作し、操ることを考えます。それによって、空間魔法やテレポーテーションが可能となるのです。
2023.11.19