質問: 「真空は負のエネルギーの電子で満たされている」という物理学の概念を、イギリスの物理学者の名前をとって何の海という?
回答: ディラックの海

タイトル: ディラックの海
相対論的量子力学において、ディラックの海(ディラックのうみ、英: Dirac sea)とは、真空状態が負のエネルギーを持つ電子によって完全に占められている状態であるというモデル。ディラック方程式の解が負のエネルギー状態を持つことによって生じる問題を回避すべく、英国の物理学者ポール・ディラックが空孔理論の中で提唱した。ディラックは、電子が満たす相対論的な量子力学の基礎方程式として、ディラック方程式を導いたが、この方程式は負のエネルギーの解を持つ。この負のエネルギーに下限はなく、電子はよりエネルギーが低い状態に落ち込んでいくため、安定な状態をとりえない。すなわち、エネルギーの基底状態となる安定な真空状態が存在しないことになる。こうした問題を解決すべく、ディラックは真空状態はすべての負のエネルギー状態が電子によって、埋め尽くされた状態とするディラックの海の概念を提唱した。

タイトル: 真空
量子論における真空は、決して「何もない」状態ではない。例えば常に電子と陽電子の仮想粒子としての対生成や対消滅が起きている。ポール・ディラックは、真空を負エネルギーを持つ電子がぎっしりと詰まった状態(ディラックの海)と考えていたが、後の物理学者により、この概念(空孔理論)は拡張、解釈の見直しが行われている。現在の場の量子論では、真空とは、十分な低温状態下を仮定した場合に、その物理系の最低エネルギー状態として定義される。粒子が存在して運動していると、そのエネルギーが余計にあるわけであるから、それは最低エネルギー状態でない。よって十分な低温状態下では粒子はひとつもない状態が真空である。ただし、場の期待値はゼロでない値を持ちうる。それを真空期待値という。たとえば、ヒッグス場がゼロでない値をもっていることが、電子に質量のあることの原因となっている。

タイトル: ディラック方程式
オスカル・クラインは、ある種の強いポテンシャルのもとで正エネルギーの電子が負エネルギー状態へ遷移しうることを示して、理論から負エネルギー状態を完全に排除することが困難であることを指摘した。1930年にディラックは「真空とは、負エネルギーの電子が完全に満たされた状態である」とするディラックの海の概念(空孔理論、hole theory)を考案した。ディラックの海では負エネルギーの電子が取り除かれた「空孔」が生じることがあるが、ディラックは当初この空孔による粒子を陽子であると考えた。後に空孔は陽電子であることが指摘された(ヘルマン・ワイル、ロバート・オッペンハイマーによる)。ディラックの海の空孔は正のエネルギーを持ち、反粒子に対応する。光による電子と陽電子の生成は、真空中の負エネルギー電子が光を吸収して正エネルギー状態へ遷移し、あとに空孔を残す現象として説明される。

タイトル: 真空
真空(しんくう、英: vacuum)は、通常の大気圧より低い圧力の気体で満たされた空間の状態。また物理学における概念として、古典論における絶対真空、量子論における真空状態を指す場合にも用いられることがある。真空を物理学の古典論における絶対真空でいう物質が存在しない空間のように思われることがあるが、微視的ではない大きさの空間で物質が存在しない状態の実現は不可能である。(物理学の古典論における絶対真空を参照)

タイトル: 空間
アインシュタインの一般相対性理論以来、重力は空間の歪みと考えられ、空間は曲率がゼロのユークリッド空間ではなく一般にはリーマン空間で表されることになった。そして重力の源は質量であるので、空間は内部の物体とは無関係に存在する単なる容器ではなく、内部の質量自体が空間の構造に影響を与えていることになる。エドウィン・ハッブルらによって、島宇宙(銀河)が遠ざかっていることが発見されてからは、やがて宇宙は一定であるとする定常宇宙論以外に、宇宙が膨張しているとするビッグバン仮説が登場し、両者は拮抗するようにもなり、やがてビッグバン理論の支持者の割合が大きくなった(宇宙論を参照)。また、20世紀初頭からはじまった数々の物理実験によって、真空は何も含まない「無」なのではなく、エネルギーや構造を持つことが解明された(例えば「ディラックの海」、「カシミール効果」を参照のこと)。

タイトル: 真空
古典論において、真空は物質が存在せず・圧力が 0 の仮想的状態、「何も無い状態」である。 絶対真空ともいう。これは概念的なものであり、実際に実現可能なものではない。絶対真空とは空間中に原子・分子が一つも存在しない状態を表すが、具体的な方法で実現可能な真空状態(本稿で言う一般利用の真空状態)には物質が存在し圧力が観測される。 例えば地球の表面上の圧力(1気圧)= 100 kPaの条件の下では1 cm中の気体分子は0 °C時で2.69×10個存在する。 真空の実現とはその膨大な量の原子・分子を減らしていく過程であるが、人為的に作り出せる真空状態の限界は10 Pa程度である。この圧力下でも1 cmに数千個の気体分子が存在する。 宇宙空間においても空間中に物質が何も存在しないわけではなく気体原子・分子は存在し、さらに外宇宙と呼ばれる銀河と銀河の間でも気体原子・分子は存在するとされている。

タイトル: ディラックの海
パウリの排他律によれば、既に占有されている負のエネルギー状態に電子が入ることはできず、すべての負のエネルギー状態が埋まっているディラックの海では、より低いエネルギー状態に落ち込むことはない。但し、こうした説明が可能となるのは、パウリの排他律を満たすフェルミ粒子についてだけであり、ボーズ粒子には適用できないという問題がある。その後、空孔理論が抱える問題は現代的な場の量子論の形成により解決されたため、ディラックの海の概念は不要となった。ディラックの海(とその空孔)に類似した概念として、固体物理学のバンド理論における価電子帯(と正孔)がある。

タイトル: 海洋物理学
海洋物理学(かいようぶつりがく、英: physical oceanography)とは、海流がどこをどのように流れているかなど、海洋の物理的な条件・状態及び運動を記述・研究する学問である。海洋物理学は「記述海洋物理学」(記述海洋学、descriptive physical oceanography)と「理論海洋物理学」から構成され、前者の目的は海洋観測による海洋の状態、変動、物質分布の解析および記述であり、後者の目的はそのメカニズムを説明する理論・数値モデルを構築することにある。

タイトル: 真空
真空の存在については古代ギリシア時代から、論争が繰り広げられてきた。紀元前5~4世紀、レウキッポスとデモクリトスの原子論は、自然を構成する分割不可能な最小単位「原子(アトム)」が「空虚(ケノン)」 の中で運動しているとした。一方、アリストテレスは、空間には必ず何らかの物質が充満しているとして、空虚の存在を認めなかった(自然は真空を嫌う(英語版))。これに対して、アリストテレスの学派のストラトンは、空気を圧縮する実験によって、原子の距離を縮め得る余地(すなわち原子が存在しない空間=真空)の存在を主張した。この議論に決着がついたのは17世紀に入ってからであった。1643年にエヴァンジェリスタ・トリチェリは、一方の端が閉じたガラス管に水銀を満たし、このガラス管を立てると、水銀柱は約76cmとなり、それより上の部分が真空になっていることを発見した。

タイトル: 空間
このような真空の性質を記述するために場の量子論が1930年代に登場し、やがて素粒子の標準模型へと進化した。標準模型においては、真空と不可分な電磁場や電子場、ヒッグス場などが存在し(電磁場、量子場、ヒッグス場も参照)、粒子は真空を構成する場の励起状態であると解釈されている。宇宙のあらゆる場所に共通の電子の場が存在するために、どこで電子を生成しても、その質量や電荷などの諸性質は全く同一になる(例えば、他のものに比べて質量の小さい電子は生成できない)。また、磁石は真空を構成する電磁場を影響するために、遠距離でも目に見えない引力や斥力が発生すると解釈される。電荷を勢いよく振動させると、電磁場中に光子が励起され無限遠に向かって伝搬する。こうした真空の概念の転換によって、原子や素粒子の性質が極めて正確に予言できるようになった。

タイトル: 空間
1960年代には、電磁相互作用と弱い相互作用を統一した電弱理論が確立され、1980年代に実験的に検証された。現在、さらに電弱理論と強い相互作の理論を統一する統一場理論を作り上げようと努力しているが、理論の予測と陽子崩壊等の実験結果に矛盾があるために、困難に直面している。なお、19世紀末に信じられていたエーテル仮説では、真空中にエーテルと呼ばれる媒質が満たされており、地球がエーテル中を運動するとエーテル風が観測されると考えられていた。エーテルは真空と分離可能で直接観測が可能な液体のような媒質であると考えられていたが、該当する現象が観測されなかったために、エーテルの存在は現在では実験的に否定されている。一方、場の量子論における「場」とは、電磁場のように真空と分離することのできない広がりをもったものを指す。

タイトル: 波
一部の分野では水の波、そのなかでも波が砕け散ったりしないようなものを「水面波」という用語で呼ぶこともある。水面波は、物理学的に説明する場合、波動の一種という位置づけになる。水面波も他の波動と同様に屈折、回折、反射、透過、減衰などの性質をもつ。ここでは、主として海の波に関する理論を挙げる。波は、水深によって、水面変動の振幅が水深に対して十分小さい波のことを微小振幅波といい、その仮定における理論を微小振幅波理論という。それに対して、波高がそれほど小さくない場合、有限振幅波という。流体力学における連続の方程式であるラプラス方程式

タイトル: 海
海(うみ、英: the sea または the ocean)は、地球上の陸地以外の部分で、海水に満たされたところ。大小さまざまな広がり方があり、特に大きな広がり(だけ)は海洋(the ocean)とも言い、主な海洋としては太平洋、大西洋、インド洋などがある。一方、地中海や黒海も紛れもなく海であり、海峡で大西洋と繋がっており海水は行き来している。

タイトル: ディラック方程式
1932年のデヴィッド・アンダーソンによる陽電子の発見により、ディラックの海は現実の現象を説明する優れた理論とされた。その後、リチャード・P・ファインマン等により拡張、解釈の見直しが図られた(相対論的な場の量子論)。その結果、ディラックの海を考えなくとも、電子と陽電子を対称に扱うことができるようになった。

タイトル: オーガストゥス・ラブ
オーガストゥス・ラブ(英語: Augustus Edward Hough Love、1863年4月17日 - 1940年6月5日)は、イギリスの数学者・物理学者である。1911年に表面波の一種である「ラブ波」の存在を理論的に証明した。ラブ波という名前は、彼の名前に由来している。

タイトル: 真空状態
場の量子論において真空状態(しんくうじょうたい)とは、ある特別な基底状態の状態ベクトルを意味する。

タイトル: マイケル・フィッシャー
マイケル・エリス・フィッシャー(英語: Michael Ellis Fisher, 1931年9月3日 - 2021年11月26日)は、イギリスの物理学者、化学者、数学者である。統計物理学(英語版)についての多くの先駆的業績、とりわけ相転移と臨界現象分野での業績で知られる。

タイトル: ジョン・ヘンリー・ポインティング
ジョン・ヘンリー・ポインティング(John Henry Poynting 、1852年9月9日 - 1914年3月30日)はイギリスの物理学者である。電磁場の持つエネルギーの流れの密度を表す電場と磁場のベクトル積であるポインティング・ベクトルや、太陽の放射が宇宙塵に対して働く力ポインティング・ロバートソン効果などで知られる。

タイトル: 大気イオン
『科学大事典 第2版』では、「マイナスイオン」を負の大気イオンと解釈する記述がある。

タイトル: ダイオード
1919年、イギリスの物理学者ウィリアム・エクルズが、2極真空管のことを指して、ギリシア語のdi(2)と 英語のelectrode(電極)の語尾を合わせて造語した。

タイトル: ジョゼフ・ジョン・トムソン
トムソンは、その質量電荷比が水素イオン (H) の数千分の1であることを発見し、その粒子が極めて軽いかあるいは極めて電荷量が大きいかのどちらかだとわかった。それら粒子の発生源について、トムソンはカソード近傍の気体分子から飛び出したと信じていた。トムソンは原子が正の電荷を帯びた海の中を corpuscles が漂っているものと想定した。いわゆる「ブドウパンモデル」である。後にアーネスト・ラザフォードが正の電荷が原子の核に集中していることを証明し、トムソンの原子模型が間違っていたことを示した。

タイトル: サイモン・ホワイト
サイモン・デイヴィッド・マントン・ホワイト(Simon David Manton White、1951年9月30日 - )は、イギリスの天体物理学者である。

タイトル: 反物質
1928年、物理学者のポール・ディラックは電子の相対論的な量子力学を記述するディラック方程式を導いたが、この方程式から導かれる負エネルギー状態の電子の解釈について悩んでいた。負エネルギー状態の電子は、質量が負であることから、引っ張るとそれと反対向きに動こうとする奇妙な性質を持つため、ロバに似ていることから「ロバ電子」 (donkey electron) という名前がつけられた。1930年、ディラックは、真空がロバ電子で満たされており、その中の泡に相当する空孔 (hole) が負エネルギー電子になるだろうという着想を得て、空孔理論 (hole theory) を提出した。この理論によると、負エネルギー状態の電子はあたかも正の電荷を持った電子(陽電子)のように振舞うはずであった。

タイトル: オズモンド・フィシャー
オズモンド・フィシャー(Osmond Fisher、1817年11月17日 - 1914年7月12日)は、イギリスの地質学者、地球物理学者である。

タイトル: チャールズ・バーノン・ボーイズ
サー・チャールズ・バーノン・ボーイズ(Sir Charles Vernon Boys、1855年3月15日 - 1944年3月30日)は、イギリスの物理学者であり、慎重かつ革新的な実験によって知られる。

タイトル: 真空状態
自由場の量子論では、真空は「粒子の総個数演算子の固有値0の固有状態」として、あるいは「いかなる消滅演算子を作用させても常に0になるような状態ベクトル」として定義される。これを特に自由真空という。自由真空はまた自由場のハミルトニアンの最低エネルギー固有状態としても特徴づけられる。

タイトル: 電子
電子の発見は陰極線の発見に端を発する。その当時物体は、電気を通す物体と電気を通さない物体に分類されることが一般的であった。しかし科学者たちはどんな物体の中でも電圧を上げれば電流を流すことができると考えていた。そこでほぼ真空に近い陰極線管(クルックス管)に電圧をかけてみると直線状の影が現れた。ドイツの物理学者オイゲン・ゴルトシュタインはこの直線が陰極から発せられていたことから「陰極線」と名付けた。この陰極線の正体について学者らの意見は分かれた。欧州大陸の学者は陰極線の正体は海の波のように直線的に動いているので波動であるとし、イギリスの学者は重力の影響を受けないほど高速で移動している粒子であるとした。この大陸側とイギリス側の論争に決着をつけたのはイギリスの物理学者ウィリアム・クルックスであった。

タイトル: 表面波
その他の例として、密度の異なる2つの水の塊の界面に沿って進むことができる内部波がある。

タイトル: 大洋
近代的な海洋物理学はアメリカの海軍大尉マシュー・フォンテーン・モーリーに始まる。本格的な海洋調査の嚆矢は、1872 - 1876年に行われたイギリスのチャレンジャー号による探検と言われる。362か所にわたる地球規模の水深測定や海流・生物等の調査は50巻の膨大な報告書に纏められ出版された。その後、ドイツ・スウェーデン・デンマーク・ソビエト連邦などの探検船が様々な調査を行った。1892年頃からは国際的な協力体制による調査も始まり、1902年には国際海洋探求会議(英語版) (ICES) が設立され、各方面の調査研究が行われた。20世紀初頭、ドイツのアルフレート・ヴェーゲナーが提唱した大陸移動説はあまりに先駆的過ぎ、移動を起こす動力の説明ができなかったため賛同を得られなかった。

タイトル: 海洋物理学
記述海洋物理学に用いられる海洋観測は多岐にわたり、海洋化学、海洋生物学とも重なる部分がある。観測船(みらいなどの研究船による観測航海や商船などの篤志観測船(英: Voluntary Observing Ship、略称:VOS)による観測)、漂流・固定ブイによる現場観測が主流であったが、技術的発展により様々な観測方法が提案され、海洋光学(光学の応用)、海洋音響学(音響学の応用)、衛星海洋学(人工衛星によるリモートセンシングの応用)などのサブカテゴリが存在する。理論海洋物理学(海洋力学)は、気象力学とともに地球流体力学の一部分をなし、流体力学、熱力学などを基礎とした応用科学である。

タイトル: なぜ何もないのではなく、何かがあるのか
そしてこの「偽の真空」はしばしば「無」と表現される。そしてこの理論により「無からの創造」として存在の問題が説明された、などとする場合がある。実際この量子宇宙論により、本稿の問いに対してもう説明されるべきことは何も無くなった、とする哲学者もいるが、しかし哲学者たちの多くはこの考えには満足していない。その理由は偽の真空が「無」とは言いがたい明確な内的構造を持つためである。ある哲学者は、物理学者の言う(偽の)真空は、無ではなく物理的対象である、と表現する。また、ある神学者は「物理学者の言う真空は、無と言うよりも混沌(ケイオス)と言ったほうが適切である」と指摘する。つまり「なぜ何もなかったのではなく、量子力学の法則にしたがってゆらぐ(偽の)真空があったのか」という形に問いが置き換わるだけで、問題は依然として残存するだろう、と指摘される。

タイトル: 真空状態
真の真空は、一般的に一意的かどうか不明なので、次の2つの立場がある。漸近的完全性を仮定する場合には、漸近状態の真空でもって真の真空を定義できる。なお系の実効ポテンシャルの基底状態のことを真空と呼ぶ人もいるが、これは必ずしも既に述べた場の量子論的な真空とは同義では無い。