場とは｜物理学における定義と歴史、スカラー場・ベクトル場・テンソル場

物理学において「場」とは、空間（より一般的には時空）の各点に物理量が割り当てられていることを意味する。場は、空間の大きな領域全体に広がっていて、すべてに影響を与えていると考えられます。場の強さは通常、地域によって異なる。1849年にマイケル・ファラデーが初めて「場」という言葉を作った。

ある分野では、空間内の各点に番号がついています。これらはスカラーフィールドと呼ばれます。より複雑な場では、空間の各点に複数の数値が存在します。これらは、ベクトル場やテンソル場と呼ばれます。例えば、重力場はベクトル場でモデル化することができます。ベクトルは、質量が空間の各点で受ける加速度を示します。他の例としては、温度場や気圧場があり、天気予報などでは、温度や気圧が等しい点を結んだ等温線や等圧線で表現されている。

場の定義と直感的理解

簡単に言えば、場は「空間（または時空）上の値の分布」です。数学的には、場は位置ベクトル x（と時間 t）を入力として取り、スカラー値・ベクトル値・テンソル値などを返す関数とみなせます。たとえば温度場は位置を与えると温度という一つの数を返すのでスカラー場、風速は向きと大きさを持つのでベクトル場です。

場の種類と性質

スカラーフィールド: 空間の各点に一つの実数（または複素数）が対応する場。例: 温度分布、ポテンシャルエネルギー。
ベクトル場: 各点にベクトルが対応する場。例: 風速場、電場（電場ベクトルE）、磁場（磁場ベクトルB）。
テンソル場: 各点にテンソル（行列に一般化される量）が対応する場。例: 応力テンソル、一般相対性理論における計量テンソルg_{μν}（重力を記述）。

歴史と発展

マイケル・ファラデーは電磁現象を説明する際に、「場」という概念を導入し、力が直接作用するのではなく場を介して伝わるという直感を与えました。その後ジェームズ・クラーク・マクスウェルらにより電磁場の方程式（マクスウェル方程式）が確立され、場の概念は物理学の中心的枠組みになりました。20世紀には、量子力学と結びついて量子場理論が発展し、素粒子は場の励起（量子）として理解されるようになりました。

数学的表現と基本操作

場は通常、関数やテンソル場として書かれ、微分演算子（勾配∇、発散div、回転curl、ラプラシアンΔなど）を用いて性質を調べます。場の時間発展は波動方程式や拡散方程式、マクスウェル方程式やアインシュタイン方程式のような場の方程式で記述されます。これらの方程式は局所性（近接点同士の関係）や保存則（エネルギー保存、電荷保存）を反映します。

代表的な例

電磁場: 電場Eと磁場Bが時空上に定義され、マクスウェル方程式で結ばれる。電磁場は荷電粒子に力を及ぼし、光は電磁場の波動として理解される。
重力場: ニュートン力学では重力はベクトル場で近似されるが、一般相対性理論では時空の曲がりを記述する計量テンソルが重力の場に相当する。
温度・圧力場: 流体力学や気象学で使われ、等値線や等値面（等温線、等圧面）で可視化される。

視覚化と測定

場はベクトル線（場線）や等値線・等値面で可視化できます。場の観測は点での測定の集まりとして行われ、連続体と見なせる場合は近接点の情報から微分量を推定します。実験的に場を操作・測定することで場の方程式やパラメータが検証されます。

現代物理学における役割

場の考え方は古典物理から量子論、統計力学、相対論まで広く適用されます。量子場理論では場が基本実体で、粒子は場の量子化された励起です。さらに、電弱相互作用や量子色力学のようなゲージ場理論は対称性（ゲージ対称性）を場の性質と結びつけ、相互作用の起源を説明します。

まとめ

場は、空間や時空の各点に何らかの物理量を割り当てる概念であり、古典的な力学・電磁気学から一般相対性理論、量子場理論に至るまで物理学の中心的な枠組みです。スカラー、ベクトル、テンソルといった種類に応じて適切な数学的道具を用いて記述され、現象の理解と予測に不可欠な役割を果たします。

同じ電荷を持つ（反発する）2つの粒子を取り巻く電界の大きさ。明るい部分ほど大きさが大きい。電界の方向は見えない。

反対に帯電している（引き合う）粒子

フィールドの種類

クラシック分野

ニュートン重力学：重力を2つの質量の相互作用として記述する。
電磁気学：電場と磁場は、粒子の運動を規定する力の場であるだけでなく、エネルギーを運ぶため、独立した物理的現実を持っています。
一般相対性理論における重力：これはアインシュタインの重力理論です。
フィールドとしての波

量子場

現在では、すべての物理現象の根底には量子力学が存在すると考えられています。

フィールド理論

場の理論とは、1つまたは複数の物理的な場が物質とどのように相互作用するかを記述する物理理論です。

質問と回答

Q: 物理学の分野とは何ですか?

A:物理学におけるフィールドとは、空間上のすべての点に物理量が割り当てられていることを意味します。

Q:「場」という言葉を最初に作った人物は?

A: 1849年にマイケル・ファラデーが初めて「フィールド」という言葉を作りました。

Q: スカラー場はどのように定義されるのですか?

A:スカラー場とは、空間上の各点に対応する数値が存在する場と定義される。

Q: ベクトル場、テンソル場とは何ですか?

A:ベクトル場やテンソル場は、空間上の各点に複数の数値が存在する、より複雑な場である。

Q: 重力場はベクトル場によってモデル化できますか?

A:はい、重力場はベクトル場でモデル化できます。ベクトルは空間の各点で質量が受ける加速度を表します。

Q: 温度場と気圧場とは何ですか?

A:温度場と気圧場は、天気予報などで、温度や気圧が等しい点を結んで等温線や等圧線として表現されることが多い場の一例です。

Q: 場の強さは地域によって違うのでしょうか?

A: はい、通常、場の強さは地域によって異なります。