最終更新日: 2023 年 4 月 28 日

物理学における場の概念

畑の大まかなイメージ

物理学における場の概念は抽象的なものであり、イメージで表すことはできません。ただし、フィールドの概念については表面的な考え方をすることができます。

フィールドは、時間の経過とともに変化する可能性のある測定可能な物理量で満たされた空間の区切られた部分です。

例えば：
• 室内では、空間の各点および各瞬間で、温度、圧力、密度など、部屋の状態を特徴付ける物理量を測定することができます。したがって、部屋は温度フィールド、圧力フィールド、密度フィールドなどで満たされます。
これらのフィールドは、各点が実数または複素数で表されるため、スカラーと呼ばれます。

• 室内の各場所および各瞬間には、方向と速度の 2 つの値で測定できる空気分子の動きもあります。
この速度場は、各位置が方向と大きさを持つ量で表されるため、ベクトルと呼ばれます。この量はベクトル、図的には矢印です。矢印の長さはベクトルの大きさ、この場合は速度を表します。矢印の方向はベクトルの方向を表します。

古典物理学では、近似画像を使用して場を表現したい場合、最も簡単な方法は、湖などの液体を想像することです。
それぞれの場所、各瞬間に水分子の動きがあり、それをベクトル値で測定できます。
湖が平衡状態にあるとき、つまり、基本的な状態と呼ぶことができる最も低いエネルギー状態にあるときは、何も起こらず、まったく静かです。各ベクトル v = [x, y] にはゼロ成分、つまり v = [0, 0] があります。水分子の速度場は、二次元空間では静止しており、空で、平坦で、目に見えません。
風が強くなると、エネルギーが湖にもたらされ、水分子が撹拌され、目に見える波紋が形成されます。
各水分子の速度は、ゼロ以外のベクトルによって測定可能になります。各ベクトルは、周囲の空間に影響を与えるエネルギー源を表します。フィールドは空で平らで目に見えませんでしたが、それは三次元で現れて現れるでしょう。次に、物理フィールドが作成されます。言い換えれば、物理場はエネルギー源の存在の現れであると考えることができます。このフィールドは水源を直接表すものではありませんが、私たちの場合、空間の各点で湖の物理的特性がどのように変化するかを説明することができます。

量子物理学では、場を想像するのはさらに複雑です。

例えば：
• 電磁場は、エネルギー源である電子などの電荷を移動させることによって生成されます。この場合、場自体が空間内の電場と磁場の分布を表します。電磁場は、電磁波の形で空間を伝播する電場と磁場の組み合わせです。

• 電子の量子場はスピノリアルであり、各場所および各瞬間で、スピノリアル波動関数によって電子のスピンの挙動を測定できます。これは、電子の量子状態を位置、時間、スピンの関数として特徴付ける複雑な数学関数です。電子のスピンなどの量子運動も磁場を生成します。スピンは粒子の固有の特性であり、粒子の磁気モーメントに関連しています。

結論は、電子、光子、陽子、およびすべての素粒子の量子場は、すべての基本的な粒子場が重ね合わされた系の量子特性を理解するための重要な理論概念です。
これらすべての場が地表の最もエネルギーの低い状態にあるとき、私たちは量子真空、つまりエネルギーのない検出不可能な粒子で満たされた静かな海にいます。ただし、量子真空は「絶対的な無」ではなく、常に変動し、「仮想粒子ペア」と呼ばれる一時的な粒子のペアを生成します。これらの仮想粒子のペアは非常に急速に出現しては消滅するため、時空に対する最終的な影響は無視できます。これらの真空変動は、実際の粒子が存在しない場合でも存在する量子場として解釈できます。真空ウェーブレット、つまり粒子が出現するには、この量子場にエネルギー源をもたらすだけで十分です。

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