電気とは一体何なのか？興味深い考察が話題に！
引用元：https://news.ycombinator.com/item?id=43148438
記事で触れられてないポイントだけど、金属の中の電子は室温で既にサーモルエネルギーで結構速く動いてるんだ。だいたい100km/sで、これは記事で言ってる”ドリフト速度”より速いよ。この熱運動はランダムで、電子は常に原子核にぶつかって方向を変えるから、合計すると電流はできない。だから電場の影響で柔らかく動くんじゃなくて、既存の熱運動にわずかなバイアスが加わるって感じかな。E: もし分かりにくかったら確認だけど、これは記事が言ってる電場の伝播速度には関係ないよ、あれは光の速度だし。
ドリフト速度が熱運動による速度よりもずっと低い理由を考えると、電子は原子にぶつかると方向が変わっちゃうからなんだよね。銅線で電子が衝突まで移動する平均距離は約0.00000004mで、100km/sではそれを移動するのに0.4ピコ秒かかるよ。
生物細胞について面白いことがあるのを思い出した。あの濃厚なスープの中の分子は、大きさによっては時速20～250マイルで跳ね回っているんだ。
もっと重要なのは、細胞内の分子は短時間でほぼすべての他の分子とぶつかるってことだよ。だから、たとえばタンパク質Xが燃料や資源Y、必要なタンパク質Zをどう見つけるかっていう質問には、シンプルに言うと、探さないってこと。結局、ただぶつかるだけなんだ。同様に簡単な細胞では、物質を運ぶ必要もないかもしれないし、化学拡散で十分早いってわけさ！
本当に驚くべきは、あの分子の中の陽子の内部で動いているグルーオンの速さだよ。
それはどれくらい速いの？
＞電子は原子にぶつかると方向が変わるってことだけど、ほとんど空間なのにどうして？力が強いからぶつかるってことかな？
直接的な物理的な”衝突”ってのは、実は複数の粒子の電磁場の間の強い相互作用ってことじゃない？
粒子衝突施設は力を克服して粒子が触れたり消滅したりするんだと思う。でも、まあ、私たちのレベルでは、全部普通の低エネルギーの電磁的なもので、何も他のものに本当に触れてないってことだね。
まず最初に”電磁的なもの”が”触れる”という意味だと主張したい。原子は完全に空っぽではない。原子は極めて密度の高い陽子や中性子のコアを持つ電子雲で構成されてるけど、我々が気にするのはその電子雲だよ。
そもそも何かが本当に触れることってあるの？
＞主に空っぽのスペースだって言ってるけど、原子が”空っぽのスペース”って言うなら、非空っぽのスペースなんて無いわけで、概念自体が意味を失う。電子雲は非空っぽのスペースが持つ性質をすべて持ってるし、他の物体を排除する目的で、非空っぽのスペースが我々が考えるものとも言える。だから、これが非空っぽのスペースなんだと認めて、この偽の深い話を進めよう。
イェオルド・ラザフォードの実験は、全てが空っぽのスペースであるっていう考えをうまく示していて、それが明らかで深遠なことなんだ。偽じゃないよ。
それは一理ある視点だと思うけど、椅子に落ちないって事実は変わらない。それが”固体”の物質の説明で求めることだよね。アルファ粒子を椅子に撃ち込んでも、実際、あなたの体はアルファ粒子じゃないから、ソリッドの証明にはならないけど、ソリッドが物質の非基本的な特性だと証明しているんだと思う。それが深淵だとしても、名前を変える必要は感じない。これは単なる意味論的な迷路に思える。
俺はそれをピンクッションに例えて考える。針はほとんど抵抗なく刺さるけど、手や指先はそうじゃない。
そうだね。誰もピンクッションを空っぽのスペースとは混同しないと思う。でも、アダマンチウムとも混同しないよね。
非常に密に詰められた針のピンクッションに座れることは、固体の木製の椅子に座るのと同じくらい良いんだ。針の間には木のブロックよりも明らかに多くのスペースがあるけど、君がそのスペースに入ったり見えないからと言って、存在しないわけじゃない。顕微鏡的なひび割れがあるかどうかも、光子を見て、その反射を拡大することで知れる。原子の範囲でスペースがあるかどうかは、電子顕微鏡を使って知るんだ。結局、これは君の感覚では捉えられない物理的領域を客観的に突き刺す道具なんだ。
あんまり確立した理論かは分からないけど、僕は“真空は弾性で非線形の媒体で、粒子はその非線形に閉じ込められた波”って仮説が好きなんだ。あんまり物理の専門家じゃないけど、結構納得できて優雅だと思う。だから原子の中はもっとエネルギーがあって、外側よりも中身が空ではないって話なんだよね。
その“摂動”の本質は何なの？相対論的に自己相互作用するノットや多様体かな？その弾性媒体を折りたたんで、ミクロのブラックホールのようにパーティクルに安定させられるかも？自分が頭おかしくなってきたか、もしくはちゃんと本を読んだ方がいいのかな。
補足だけど、金属内の電子が一般に移動する速さは“フェルミ速度”っていうんだ。ランダムな動きだから平均するとゼロになるけど、電場をかけると、非ゼロの平均速度、一種の“ドリフト速度”が出てくるよ。
＞記事が言うように光の速さだって言ってるけど、これは少しこじつけだよ。ほとんど違いが無いけど、実際のところ光の速さじゃないし、普通はその速さには届かない。通信では実際に光の速さの60％から80％の速さで進むからね。 さらにこじつけると、真空中の光の速さの60〜80％ってことさ。要するに、その媒体の中の光の速さは真空中の光の速さの60〜80％なんだよ。 さらにさらにこじつけると、本当に速いし、ほぼ瞬時だね。 混乱中なんだけど、もし光が消えた状態の電球とゼロ電荷の金属棒を並べて、同時に電球を点けてその棒に電荷をかけることができて、検出器がフォトンや電場の変化を同じ距離で感知できるとしたら、フォトンは電場の変化より早く届くってことなの？空気を媒体とした場合で。 はい。もっと一般的な例を挙げると、ファイバーオプティックケーブルは銅よりも情報をかなり早く伝えることで知られているよ。 そうだね。その上手い人が実演しているのを見ることができるよ。まだ光速に近いけど、実際には正確にその速さじゃないのが観察できる。 https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation そういうことか？何が confusing なんだ？ u/cogman10 のコメントは、EM放射と光が違う速度で進むと言ってるように聞こえるな。 EM放射は光子で構成されてて、光子は常に一定の速さで進む。しかし、電導は電子の動きだから、光子とは違う。 実際、光子も電子も同時に到達するだろう。ただ、銅の中でのEMの速度は真空の c より遅い。詳しくは、光子は真空で c で、電子は空間でもやや遅れて動く。しかし中では、粒子はすぐに他とぶつかるため、平均速度はさらに遅くなる。 これが正しければ、情報は約60～100％の c の速さでワイヤーを進んでるってことだよな。材料により情報の移動は異なるから、これが光がスイッチからライトに行く速度に影響してる気がする。 ちなみに、Grokが説明した部分がかなり良かった。今はAIは概念を説明するのがうまくなってきてるな。 その通りで、AIにコードを書かせるとミスが出やすいけど、星の説明とかは意外と問題ないな。 低温で材質が超伝導になるのは、電子が遅くなるせいかな？それとも他に理由があるの？ 超伝導って面白いね。温度が下がると、金属格子の振動が減ることから始まる。すると、電子がペアになりやすくなるんだ。これは量子の動きで、面白い。 ＞ all the electrons in the entire material basically form one giant condensate これはすごいな。全ての paired electrons がそうなるのか？少しだけの電子がペアになるってことに違いないと思う。 ふとした気まぐれで、数年前に古本屋で『There Are No Electrons』って本を買ったんだ。この本のアイデアは、電気の仕組みについて、さまざまな不正確で矛盾したモデルを教える時間を無駄にしてるってこと。そして、それが最適には電気の扱い方の直感を育てていないって言ってる。著者は『そんなの忘れな、こっちを見ろ。こっちの間違ったモデルの方が電気を扱うのに良い』って言ってるんだ。電気についての知識が足りなくてこのアイデアの良し悪しは評価できないけど、面白いアプローチだと思う。 その間違ったモデルの要点を教えてもらえる？ たぶんその本は、小さいエイリアンのグリー二ーズがトランポリンで跳ねるアナロジーが使われてるやつだよ。途中で挫折しちゃったけど、内容は書き方が良いから、試してみる価値はあるかも。 原子の古典的なモデルでは電子を表す点が循環してる。この点はもっと波に近いと思うよ。 プラム・プディングモデルとか、フロギストンもね。 『Xは存在しない』ってトロープは面白いね。フィッシュやツリーでも聞いたことがある。 それは分類上の理由からじゃない？（木は単なる大きな植物だし、魚は一つのものにまとめるには多すぎる）とか、他の理由かもしれないけど。 木は確かに一つのものにまとめるには多すぎるよ。例えば、進化の系統樹だと、木と全く関係ないものの間に木が入ってくることがあるし。つまり、例えば、カエデとマルベリーの共通祖先は木じゃなかったかもしれない。 それは先祖だけじゃないよ！フィンランドからドイツに引っ越して驚いたのは、フィンランドではヤナギは主に低木で、カエデは木だけど、ドイツではヤナギが木になることが多く、カエデはほとんどつるのままなんだ。 『Why Fish Don’t Exist』って本があって、結構良いよ。進化的に見ると、物の名前は祖先に基づいてることが多いんだけど、魚は「魚の形を持って水にいる」ってだけで、ちょっとややこしいんだよね。肺魚やシーラカンスは、サーモンより人間と近い関係にあるしね。 自分は組み込み系のことをやっていて、電気信号に関する研究を結構してるんだ。知識の扱い方は、それをデザインや目的に使えるかどうかで考えてるけど、電気の本質を説明する試みは大抵無理だと思うし、理解するために脳を苦しめるのはあまりやりたくないんだよね。 結局、どんなモデルも多少なりとも「間違っている」んだよね。 昔、オックスフォードかケンブリッジで受けた口述試験の話があるんだ。試験官が「電気とは何か？」って聞いたら、学生が「知ってたけど、今は忘れちゃった」って返したんだ。そしたら試験官が「歴史上、電気を本当に理解していたのは神と君だけ。そのうちの一人が忘れたのは残念だね」って。 深く考えれば考えるほど、最高の説明ですらただの洗練された近似に過ぎないってことが面白いよね。 それを聞いて思い出したのが、言語学の導入クラスで学んだことなんだけど、誰も言葉が何かを知らないってことだね。 電気とは何か、どう働くかを知らないって言われてるけど、どの程度それが真実か知りたいんだ。 それは「すべてのモデルは間違っているが、一部は役に立つ」という古い言葉とも関連するよね。どんどん問い続けると「なぜ物体Xが効果Yを引き起こすのか？」って問いにたどり着くけど、最終的には分からないことに行き着く。だけど、それでも我々は使うことができるんだ。 たぶん、電気に関するポスターの質問の本質はそこじゃないと思う。ChatGPTによれば、問題は「電荷」に関するもので、粒子が電荷を持つ理由が分からないっていうことらしい。それに、重力も根本的に知らないということがあるんだ。面白いよね！質問を続けることや最終的な答えを求めるのも悪くないけど、記事の著者がうまく表現してるよ。 ’知り得ない’ってのは厳しいよね。たくさんの未知があって解決不能なことも多いけど、探求は尽きないから心配しなくていいよ。 宇宙の熱的死までの時間は有限で、問いに答えるための原子も有限だよ。 深く考えるほど難しくなるね。電荷同士の力や動きだけど、もっと深く掘り下げると物理法則の起源や電子の構造に行き着いてしまう。 俺の考えでは全ては数学で、’2たす2は4’みたいなもので、必然的に存在するんだ。でも正直、それはあまり意味ないよね。 小学校から大学までずっと電気について教わったけど、理解するほどに逆に分からなくなってしまった。物理学の教授たちが説明する動画も見たけど、正しく説明しようとするほど直感では理解できなくなる。 AlphaPhoenixの測定や実験、視覚化は本当に役立つよ。普段は教えられないことも見せてくれるし、電気工学者たちもこれを見たら感心すると思う。これについての動画はすごく良いから、電気の伝わり方を知りたいなら見る価値あるよ。https://www.youtube.com/watch?v=2AXv49dDQJw 彼は同じような動画をいくつか作ってて、どれも electricity をわかりやすく説明してる中では最高のものだよ。 この動画と前の動画「An intuitive approach for understanding electricity」は本当に素晴らしいよ。 レベルが上がるごとに自信がなくなっている感じがする。量子フィールドの変化から電子ができるって説明された時は、現実が何か支えているのかもわからなくなる。 ”全ては情報だ”って現代物理学の考え方も多くの人に受け入れられているよ。 ＞”何も現実を支えていない”っていう考えだけど、重力は触れられないし見えないのに、感じることはできるからね。目で見えるものは本質的に違うはずだと思ってたけど、その直感は間違ってるんだ。実際には重力のような大きな弱い場と電磁気のような小さな強い場があるだけなんだ。 ＞重力を感じるって考えは直接感じているわけじゃなく、原子がつぶされるのを防いでいるように思う。 ＞何も現実を支えていないように感じるって言うけど、”ロックしろ、奴らが気づき始めてるぞ。”って感じ。 学問においてこれは本当に嫌なことの一つだ。直感的または具体的に理解させようとする奇妙なこだわりがある。結果的に、いろんな間違いやそこそこの説明がたくさんできて、学生が選んだチュートリアルによって採点が変わってしまう。理解しにくいこともあるんだから、いつまでも蓋をしておくべきじゃない。 基本的な知識があればできることはたくさんあるよ。電気がワイヤーの中を流れて危険だって知ることは大事だけど、サブ原子レベルの電磁場の動きはほとんどの人には必要ないからね。 電気について教えるときには、電子がどんなふうに振る舞うのかをしっかりやるべきだと思う。あまり抽象化しすぎると、分かりにくくなる。プログラミングを教えるときも同じだよ。初めからCのような低レベル言語を教えるべきだし、基本的な知識を後回しにするのは良くない。 最近卒業した者だけど、高レベルの言語から始めるのがいいと思う。いきなりメモリの話をするのは逆効果だし、基本的なものができないうちに理論に堕ち込むのはつらい。実務に直結することを学んだ方が早く働ける。 専門用語のおかげで、電気は水の流れに似ているなんて混乱するよ。ただ、実際には電子個体の動きなんて超える現象だ。 水の流れるアナロジーも悪くないよ。水の圧力波も考えれば、実際の現象をすごく早く伝えることができる。 水の流れのアナロジーは実用的によく使われるんだ。実際の電子の動きを理解するために、インピーダンスについても知ることが重要だよ。動画も参考にしてみて。 インピーダンスを水のアナロジーで説明できるか分からないけど、交流の水の話すれば理解できるかも。だから、まだ良いアナロジーが必要だよ。 さらにアナロジーを進めても、結局は集約要素モデルなんだ。素早い信号を扱う場合、エネルギーは導体を通過するんじゃなくて、絶縁体を移動することを理解しないと、回路は上手くいかないよ。 このアナロジーはいくつかの場面で使えるけど、全体を広げればわかりづらくなることがある。 アンテナは水のアナロジーで言うとスプリンクラーみたいだね。 交流を考慮すると、パイプは漏れているようなものだよ。もっとコメントを表示（1）
“真空中では電磁波は光の速さ、通常はcで表される速さで進む。”だから、空気中では光源からのフォトンと電荷からの電場の変化が同時に検知されると想像するんだ。もっとコメントを表示（2）
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