Richard Feynmanはかつて非常によく似た質問をしました。 （リチャード-ファインマン）彼の答えは魅力的で、その質問に多くの層を説明しています。 この質問にはすでにいくつかの非常に良い答えがありますので、すでに優れた答えに少し余分なスパイシーなソースを提供したいと思います。
磁石は、経験した力が遠くで行動しているように見えるので、人々を絶えず魅了しているようです。 私たちは何かに触れることによって力を加えることに慣れており、タッチが何を意味するのかを生得的に理解しています。 対照的に、磁石によって示される力は、一見理解に反する目に見えないものによるものであるように見えます。 特に磁気と磁石がしばしば偽の、さらには詐欺的な技術に関連しているのも不思議ではありません。
歴史的な観点から、天然に存在する磁石は古代人によって最初に発見され、航海に使用されるコンパスを作るために使用されました。 その後、電流を運ぶワイヤがコンパス針を再配向させる磁場を生成することが発見され、ワイヤ内の電流に関連する磁場があることが発見された。 電荷が電場である別の磁場を生成することも知られていた。 電場自体はコンパスの針に影響を及ぼさなかったので、別の磁場のように見えるかもしれません。 しかし、彼らはすぐに同じフィールドの異なる側面であることが発見されました。 これは相対性理論の原理を使って見ることができます、なぜなら静的電荷は移動する参照フレームの移動する変化と見ることができるからです。 したがって、静電気があるだけの基準フレームに関連付けられているフィールドは、電荷が静的ではなく、移動して磁場を生成する参照フレームに関連付けられているフィールドと同じ効果を持つ（または同じ力を生じさせる）必要があります。 したがって、相対性理論の原理は、電場と磁場の両方を一つの電磁場に統一する。 これは、電気と磁気の私たちの古典的な理解を支えています。
しかし、磁石は帯電していないが、北極と南極を示す2つの極に関連する磁場を生成するため、ケースはまだ閉じていません。 他の答えは、整列された磁区と関連する基礎となる原子原理についても非常に良い詳細に入ります。
磁場は2つの極を持っているので、双極子と呼んでいます。 古典的には、円形電流は双極子磁場を生成する。 この効果を使って電磁石を作ります。
原子のボーア模型を考えると、電子は円軌道を持ち、双極子磁場を発生させることが期待されます。 しかし、原子は量子物体であり、明確に定義された古典的な軌道に関連付けることができないため、これは事実ではないことがわかっています。 それにもかかわらず、磁石内の個々の原子は関連する磁場を有し、我々が観察する外部磁場は、これらすべての磁場が整列していることの現れである。
それは、コンパスの針が外部磁場に置かれたときとほぼ同じように動作する個々の磁石として原子を考えるのは魅力的です。 しかし、これはそうではありません。 原子は量子物体であり、その磁気特性は実際には量子状態特性である。 角運動量は、離散的な半整数値のみを取ることができる明確に定義された量子数に関連付けられていることが起こります。 原子の磁気モーメントは、原子の全角運動量に正比例する。 したがって、原子の磁気モーメントの測定は、実際には原子角運動量の測定であり、特定の離散値のみを持ち、さらに興味深いことに、離散向きのみを持 これは明らかに量子的な振る舞いであり、古典的な振る舞いではありません。 古典的な双極子の場合、その空間方向は、空間内の任意のランダムな方向を指すことに関連する任意の値を取ることができます。 これは、量子オブジェクトと古典オブジェクトを直接区別する手段を提供します。 これはStern Gerlach実験で最初に開拓されました。
Stern Gerlach実験は、不均一な磁場を介して中性原子を送ることによって働いた。 磁場勾配は、磁場を通る原子の経路を偏向させる整列依存力をもたらす磁気双極子の整列のための様々な電位を導入する。 各原子が古典的な双極子磁石として振る舞った場合、空間内のランダムな配向は、磁場勾配の方向に沿って原子雲の伸張をもたらす力の均一な分布 しかし、この装置は実際に量子化された原子の磁気モーメントの配向測定を行っているので、実際に観測されたパターンは原子雲が異なる離散区画に分 これは原子の量子的性質の驚くべきデモンストレーションでした（そしてまだあります）。
したがって、謙虚な磁石は、それが最初に思われるほどはるかに素晴らしいです。 それは私達が私達の冷却装置にメッセージおよび映像を付けるのに使用するそのよく知られた材料を与えるために個々のquantumの目的の無数の直線を表
これをもう少し詳しく見てみましょう。 磁場は電荷と関連している。 スピンと呼ばれる奇妙な量子特性があり、これは原子を構成する個々の粒子の磁気モーメントに関連しています。 電子、陽子、中性子：ここでは、原子の各成分はまた、関連するスピンを持っているので、我々も、核を周回する電子を想像することはできません。 これらの粒子が実際に双極子軸の周りを回転していると考えるのは魅力的ですが、これは正しくありません。 基本的な粒子のレベルでは、磁気モーメントを持つ以上のことは何も言えません。 これは、実際にはスターンGerlach実験のそれと同様の装置で実証することができます。 基本粒子の場合、スピンは半分であり、上または下に対応する二つの可能な向きしかありません。
いずれの場合も、固有の磁気モーメントは電荷とスピンの両方を持つ粒子に関連しています。 古典的な性質から、磁場は電場の単なる別の現れであり、これは電荷が存在することを必要とすることが示された。 実際には、スピンを持つ荷電粒子だけが磁気モーメントを持つと予想されていた。 しかし、正味の電荷を持たない中性子の磁気モーメントを直接測定することは可能であった。 この驚くべき発見は、中性子が基本的な粒子ではなく、それ自体が複合量子物体であることを直接示すものです。 これが実際にクォークモデルで解決されるまでには20年かかりました。 このように、素粒子物理学のクォークモデルの開発につながったのは神秘的な磁気でした。 私はこれがかなり素晴らしいと思います！