『微生物・乳酸菌関連の事業化に向けて』-32 ～微生物の起源－14 物質世界と生命世界～ |
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2017年02月02日
『微生物・乳酸菌関連の事業化に向けて』-33 ～微生物の起源－15 磁性・１～
微生物の起源を探っていくと、「磁場」とか「磁性」が、鍵を握っていそうだ、ということがわかってきました。
Wikipediaの内容が私にとって、磁性とは何か？の入口として理解しやすかったので、今日はこの紹介をメインに記事にしたいと思います。
タイトルは、『磁性・１』
◆物理学において、磁性（じせい、英：magnetism）とは、物質が原子あるいは原子よりも小さいレベルで磁場に反応する性質であり、他の物質に対して引力や斥力を及ぼす性質の一つである。磁気（じき）とも言う。
◆磁力は、電荷の運動によって引き起こされる基本的な力である。磁力を支配する源や場の振る舞いはマクスウェル方程式で記述される（ビオ・サバールの法則も参照のこと）。
よって磁性は電荷を持つ粒子が運動をすればいつでも現れる。
◆磁性の源泉は2種類ある。
１．電流または移動する電荷によって磁場が形成される（マクスウェルの方程式）
２．多くの素粒子はゼロでない「真性」（または「スピン」）磁気モーメントを持つ。それぞれの粒子に質量と電荷があるように、ゼロでない磁気モーメントを持つことがある。
◆物体が磁性を持つ物理的原因は、電流の場合とは異なり、原子に生じる磁気双極子である。
原子スケールでの磁気双極子、あるいは磁気モーメントは、電子の2種類の運動によって生じる。
１．原子核の周りを回る電子の軌道運動である
これは電流のループと見なすことができ、原子の軸方向に軌道磁気モーメントを生じる。
２．もっとずっと強い磁気モーメントの源は、スピンと呼ばれる量子力学的な性質である。
これはスピン磁気モーメントと呼ばれる（ただし現代の量子力学の理論では、電子が実際に物理的に自転したり原子核の周りを軌道運動したりするとされているわけではない）。
なお原子核にも磁気モーメントは存在するが、一般に電子のそれの数千分の1の強さしかなく、物質の磁性にはほとんど影響しない。
しかし、例えば核磁気共鳴 (NMR) や核磁気共鳴画像法 (MRI) は、その原子核の磁気モーメントを利用している。
◆磁気現象は磁場によってもたらされる。電流または磁気双極子は磁場を生み出し、その磁場内にある他の粒子に磁力が与えられる。
マクスウェルの方程式（定常電流の場合はビオ・サバールの法則に単純化される）は、そういった力を生み出す場の起源とその振る舞いを説明する。
電荷を持つ粒子が運動すると（例えば、電子の運動によって電流が流れる場合や原子核の周りを電子が軌道を描いて回る場合）、磁力が観測される。そして、その源泉は量子力学的スピンから生じる真性磁気双極子である。
荷電粒子が電流として運動したり原子内で運動する、あるいは真性磁気双極子によって磁場が生まれると、磁力も生じる。
◆通常、磁場は双極子場として現れ、S極とN極を持つ。
「S極」「N極」という用語は磁石を方位磁石として使っていたことに由来している（方位磁石は地球の磁場すなわち地磁気と相互作用し、地球上での北 (North) と南 (South) を指し示す）。
磁場はエネルギーを蓄える。物理系は普通、エネルギーが最小となる配置で安定となる。そのため、磁気双極子を磁場の中に置くと、磁場と反対の方向に自らの磁極を向けようとし、これによって正味の磁場の強さをできるだけ打ち消して磁場に蓄えられるエネルギーを小さくしようとする。
例えば、2つの同じ棒磁石を重ねると普通、互いのN極とS極がくっついて正味の磁場が打ち消されるようになり、同じ方向に重ねようとする力には逆らおうとする。（これが、方位磁石として使われる磁石が地球磁場と作用して北と南を向く理由である。）なお、2つの同じ磁場を持った棒磁石を無理矢理同じ方向に重ねた場合、2つの棒磁石を同じ方向で重ねるために使われたエネルギーは重なった2本の磁石が作る磁場に蓄えられ、その強さは1本の磁石の2倍になる。
磁気単極子
◆棒磁石が強磁性を持っているのは、棒全体に電子が均一に分布しているからであり、棒を半分に切ってもそれぞれの断片が小さい棒磁石になる。
（N極側とS極側で色分けがなされたデザインの棒磁石も存在するが、仮に色が分けられている場所で切断したとしても、それぞれの色の2本の棒磁石ができるだけである。）
いずれにしても磁石にはN極とS極ができてしまい、磁石を切断してもN極とS極を分離することはできない。
もしも磁気単極子というものが実在するならば、全く新たな磁気効果を生じるだろう。
それはN極またはS極がもう一方と対ではなく単独で存在するものを指す。1931年以降2010年現在まで磁気単極子の体系的な探索が行われてきたが、未だに発見されておらず、実在しないと見られている。以上のような通常の経験に反して、いくつかの理論物理学のモデルでは磁気単極子（モノポール）の存在を予言している。
ディラックは量子論を用いて、もしも磁気単極子が存在するならば、なぜ観測される素粒子が電子の電荷の整数倍の電荷しか持たないのか、という理由を説明できることを示した。なお、クォークは分数電荷を持つが、自由粒子としては観測されない。
現代の素粒子論では、電荷の量子化は非可換ゲージ対称性の自発的破れによって実現されるとされている。
現在のある種の大統一理論で予言されているモノポールはディラックによって考えられた元々のモノポールとは異なることに注意する必要がある。
今日考えられているモノポールはかつての素粒子としてのモノポールとは異なり、ソリトン、すなわち局所的に集まったエネルギーの「束」である。
こういったモノポールが仮にも存在するとすれば、宇宙論の観測結果と矛盾することになる。宇宙論の分野でこのモノポール問題を解決する理論として考えられたのが、現在有力とされているインフレーションのアイデアである。
投稿者 noublog : 2017年02月02日
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