やさしい物理講座ⅴ129「真空中の光子と仮想粒子（電場と磁場）の考察」

 　昔、エーテル理論というものがあったが、最近の量子力学の発展で「何もない真空から素粒子が発生する」現象が話題である。
　「何も無い空間に何かがある」と考えられている。
ここからが吾輩の仮説であるが、「真空」の物理的性質（物性）として、つまり、電気的性質、磁気的性質（磁性）を秘めた特性を持っているものが仮想粒子（電磁場）と考えられる。ある量子力学の解説書によると、仮想粒子を物質とは考えずに、「場」の概念で捉えた方が分かりやすいとの解説。その解説からさっぱり理解できなかった量子力学を少しは理解が出来た。
今回は量子電磁力学における仮想粒子についての下手な解説をする。

　　　　　皇紀2684年9月16日
　　　　　さいたま市桜区
　　　　　理論物理研究者　田村　司

　量子電磁力学では、電子を始めとする荷電粒子間の電磁相互作用を量子論的に記述する場の量子論である。
それは荷電粒子間に働く電磁相互作用を光子という粒子の受け渡しによるものと考える。荷電粒子と光子は量子的な場（場の演算子）として扱われる。
　電磁相互作用で発生する力は電磁気力（でんじきりょく）といい電荷にはプラスとマイナスがあり、同じもの同士で斥力、異なるもの同士で引力が働く。
ゲージ場理論より、相互作用を媒介する粒子が存在し、電磁相互作用の場合は光子が媒介する。電磁相互作用を媒介する光子を仮想光子と呼ぶ事もある。

量子物理学において量子ゆらぎ（または量子真空ゆらぎ、真空ゆらぎ）は 空間のある点におけるエネルギーの一時的な変化で、ヴェルナー・ハイゼンベルクの不確定性原理で説明される。これにより仮想粒子の粒子-反粒子対が生成する。 これらの粒子の効果は測定可能であり、例えば電子の有効電荷は「裸の」電荷とは異なっている。

緑：右側から入射した光子 γ、
青：対生成した電子 e-、
赤：対生成した陽電子 e+
電子と陽電子は泡箱の磁場によるローレンツ力で螺旋軌道（電荷が逆なので回転方向も逆）を描き、電荷を持たない光子は直進する（入射軌道は推定）

光と物質の相互作用