入門物理学を学んだ方は、「基本的な力」について学んだはずです。それは、すべての相互作用は、5つの基本的な力（強い核力、弱い核力、重力、電気力、磁気力）のうちの1つ以上の力によって生じているというものです。つまり、「物理学を行う」ということは、作用している力を特定することを意味します。
しかし、ここで触れられていないかもしれない問題があります。それは、観測する力はあなたの視点、つまり「基準フレーム」によって左右されるということです。窓の外を見てください。木々、家、芝生…どれも静止していますよね？しかし、宇宙から同じ場所を見ると、時速1000マイル（約1600キロメートル）で動いています。以前は静止しているように見えたのは、あなた自身も一緒に動いていたからです。
電界と磁界でも同じ問題があります。基準座標系によっては、ある地点からの磁力のように見えるものが、別の地点からの電気力のように見えることがあります。
脳が溶けてきた？ちょっと待ってください、さらに奇妙なことが起こります。ここで何が起こっているのかを理解するために、まず電気力と磁気力をそれぞれ個別に見てみましょう。
電気の力
周りにあるもの、全部見えていますか？すべてはたった3つの要素、陽子、電子、そして中性子でできています。考えてみると、ちょっと不思議な気がしますね。これらの基本粒子のうち、負に帯電した電子と正に帯電した陽子の2つは電荷を持っています。
物体の電子数が陽子の数よりも多い場合、正味の電荷は負になります。乾燥機に入れたまま何にでもくっついてしまうあの靴下は、他の衣類と擦れ合うことで余分な電子を吸収しているのです。物体が電子を失うと、正に帯電します。
クーロンの法則を使えば、帯電している2つの物体間の静電気力を計算できます。この法則によれば、2つの物体間の力は、それぞれの電荷の積と物体間の距離によって決まります。説明のために、下の写真のようなハイテクな装置を作りました。2つの小さな発泡スチロールのブロックを紐で吊るしたものです。2つのブロックには負の電荷を与え、互いに反発するようにしています。ぜひ見てみてください。
ほらね？反発力のせいで、まっすぐ垂れ下がっていないでしょ。もし反対の電荷を帯びていたら、引き合ってくっついていたはず。それが電気力なの。
磁力
電荷を帯びた物体は電気的な力を受けます。しかし、帯電した物体が動いている場合は、磁力も発生し、その力を受けることがあります。電荷を動かす方法の一つは、電線に電流を流すことです。（これは文字通り電子の流れです。）こうすることで磁場が発生し、電流を流している他の電線は磁力を受けます。
2本の平行な電線に同じ方向に電流が流れていると想像してください。電線1には電荷が移動しているので、磁場が発生します。電線2はこの磁場の影響下にあるため、電線1に向かって引っ張られる力を受けます。逆もまた真で、電線1は電線2に引き寄せられます。一方の電線に反対方向の電流が流れると、2本の電線は反発します。
磁力の力には、本当に感謝しています。電気モーターを動かすのは磁力のおかげで、電気自動車から食器洗い機、エアコンまで、あらゆるものに電力を供給しています。単に電線同士が反発する奇妙な力だけではありません。
でもこれは奇妙だ
復習しましょう。電荷は電気力を受け、移動する電荷は磁力を受けます。これを分解すると、電荷は電場（E）を作り出し、電場内の他の電荷は力を受けます。同時に、移動する電荷は磁場（B）を作り出し、移動する他の電荷はその磁場内で力を受けます。
では、電場と磁場の両方が存在する領域に、速度vと電荷qを持つ運動する電荷があるとしましょう。この場合、電荷に働く力はローレンツ力の式で計算できます。式は次のようになります。
いくつかの状況でこれがどのように作用するかを見てみましょう。まず、2つの電子が単独で存在するとします。これらの電子が最初は静止していて、それを放すと、電気的な力によって電子同士が引き離されます。もし電子を目で見ることができたら、こんな感じに見えるでしょう。
今度は、同じ距離から出発した別の電子対があるとします。しかし、これらは右方向に速度vで移動しています。電気力も電子対を押し離そうとしますが、電子対は移動しているため、磁力も発生し、電気力を部分的に相殺します。ご覧の通り、同じ時間では、電子対は最初の電子対ほど離れていません。確認してみましょう。
ここまでは順調ですね。でも、本当にそうでしょうか？最初は静止していた（紫色の）電子が反発し、1秒で1メートル離れたとしましょう（端数を切り詰めただけです）。動いている（黄色の）電子が1メートル離れるまでにはもう少し時間がかかります。おそらく1.1秒でしょう。これは実際には問題です。
小さな車に乗って、2つの電子が動いている横を走っているところを想像してみてください。この基準座標系から見ると、2つの電子は静止しています。しかし、静止しているため、磁力は作用せず、電子同士を引き離す電気力だけが作用します。では、1メートルに到達するまでの時間を記録すると、静止している電子のように1秒になるのでしょうか、それとも動いている電子のように1.1秒になるのでしょうか？問題がお分かりでしょうか？
アルバートの答え
この状況への答えは、アインシュタインの特殊相対性理論を用います。物体の速度は観測者の運動に依存する、つまり「すべては相対的である」という考え方です。走行中の車から電車の速度を測定すると、歩行者が見る値とは異なる値が得られます。はい、分かりました。それで結構です。しかし、アインシュタインは、出来事が起こる時間とその持続時間もまた相対的であるとも言っていました。
それは…ちょっと納得できないですね。反発する電子の話に戻りましょう。静止している観測者と動いている観測者は、電荷が1メートル離れるのに1秒かかるという点で一致しています。しかし、静止している観測者の視点から見ると、動いている系では時間が遅くなっているように見えます。
これは時間の遅れと呼ばれます。通常の速度ではその影響はごくわずかであるため、現実世界では気づきませんが、移動するフレームが光速に近づくにつれて、時間の遅れはますます大きくなります。
つまり、時間の遅れは2つの基準系からの観測結果を調和させます。しかし、問題は解決されていません。なぜなら、2人の観測者が2つの異なる基本的な力を観測していることになるからです。上の黄色い電子を見ると、静止している観測者は磁力の作用を観測しますが、動いている観測者は電気力しか観測していません。
これは物理学において実に重大な問題でした。では、彼らはどのようにこの問題を解決したのでしょうか？電気力と磁気力は本質的に同じものであり、「電磁力」と呼ばれるものだと解釈したのです。現在では、これは電荷の性質を持つ物体間の相互作用の一種に過ぎないと考えられています。
科学の進め方はこうです。モデルを作り、壊れるまで使い続ける。そして新しいモデルを作る。失敗は、実は学ぶ時です。つまり、もはや5つの基本的な力ではなく、より基本的な4つの力があるのです！
