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有名な質量・エネルギーの変換原理である E=mc^2[J] の意味は何を表現しているのでしょうか。
質量m[kg]がすべてエネルギーE[J]に変換されると、それは光のエネルギー[J]で表現したものと同等である。と言う意味と解釈します。原子核分裂の理論で、昔は結合エネルギーと言う表現で質量分を解釈していたようです。結局は質量が核分裂現象の結果として分裂粒子の運動エネルギーや光やその衝突による熱エネルギーなどに変換されると解釈して良かろうと理解する。その質量の等価的エネルギーを光として表現したものと考える。質量が光に変換されると同じ意味で解釈すれば一番分かり易いと考える。だから質量とエネルギーは等価であると言う意味であろう。ならば、質量の正体は光あるいは熱(空間のエネルギー)であると言える。だから質量を持つ物(素粒子)の正体はすべて光(エネルギー)と看做せる。こんな解釈でE=mc^2の意味を解釈する。質量の正体は何かと言う疑問にご回答をお願いします。

A 回答 (7件)

質量は、エネルギーをスピード表現した場合の物理量です。


エネルギー的に言うと、質量かける速さの二乗に比例する。(E=mc^2)

素粒子的にいうと、エネルギーの粒子は光子とか電子とか陽子とかという分類になります。
だから素粒子であればエネルギーがありますのでどのようなエネルギーでも質量に換算可能です。
違いは、そのエネルギーをどのように閉じているかどうかによって、重さの伝わり方が違いますので
たとえば、伝播している光子と箱に閉じ込められた光子(熱?)は違います。

ちなみにひゃまの飛んでもない光論では、光はスピードをもった空間で、電磁波はその空間そのものの振動で、光子のそのエネルギー量子です。
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>確かに、エネルギーが質量に変換されると言うことを実験的に実証することが難しのは分かります。



普通に行われている実験です。素人ができるような実験ではありませんが、それは、高エネルギーを必要とし、それを高度な技術によって、素粒子にあてる必要があるからです。また、生まれた素粒子の殆どは、短寿命で崩壊してしまうので、観測にも最先端の技術が必要です。ですが、実験は普通に行われ、さまざなま素粒子を作り出しています。エネルギーが質量に変換されるのは実験的事実です。

例えば、CERNのLHCです。13TeV のエネルギーです。すごいですね。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A7%E5%9E%8B …

>エネルギーから質量に変換されないなら、質量がだんだん減少してエネルギーだけの世界になってしまうように思えます。

たしかに高エネルギーは、通常ではあり得ないので、目に見える物質(質量)が生み出される状況は限定的です。しかし、我々が物質と認識ししているもののうち、電子は素粒子なので、反電子と出会う以外は安定。陽子も、中性子も、ベータ崩壊はありますが、核子はそのまま安定して存在します。通常の原子核の反応で生み出させるエネルギーは、質量欠損の差、つまり結合エネルギーなので、もともとの物質は反応前後で物質は安定、エネルギーが別のエネルギーになっただけ。化学反応では、結合エネルギーの差が極小で取り出せますが、これも反応前後で物質は安定なので、心配する事象は起こりません。物質は、極めて安定的な存在です。
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エネルギーと質量は等価であるということ。

 エネルギーと質量を合わせて、保存則が成り立つというのが、現代の普通の考え方です。エネルギーは保存するけど、質量は保存しない・・・・とわざわざ言いません。だって、等価なんですから。なので質問者の話は、概ね正しい。現在物理学の常識です。

さて、標準モデルでは、素粒子の質量は、ヒッグス機構によって生まれます。その証拠として、ヒッグス粒子が発見され、2013年のノーベル物理学賞をとりました。モデルの正しさを証明したわけですね。本来質量を保たないはずの素粒子が、ヒッグス場との相互作用で質量を獲得する仕組みは、南部陽一郎の有名な自発的対称性の破れに始まる、物理学の基本的なアイデアですので、面白いですね。

でも、質量はエネルギーと等価だから、質量をもつ素粒子の正体は全て光ってのはナンセンスですね。実際、弱い力は素粒子の種類を変えるし、光が介在しない、限りない数の素粒子の反応があるのは、事実ですから。

さらに言うと、物質の質量のうち素粒子の質量はわずか数%です。

原子は・・・

① 中性子と陽子が、光子をやり取りして、電子と結びついたもの。
② 中性子と陽子は、アップクオークとダウンクオークが、グルーオンをやり取りして、結びついたもの

です。ところが、電子もクオークも軽い。それを結合させる光子にもグルーオンにも質量はありません。構成物質の総量では、物質の質量は説明出来ません。われわれが、普段、物質の質量と思っているのは、実は、強い力によって、核子に閉じ込められた結合エネルギーです。質量の正体と言えば、実質それが答えです。光を出さずに、未来永劫安定している物質はあるのは、だれもが知るところ。でなければ、私達も、この世に存在しません。なので、全てが光・・・というのも、安易な結論の飛躍に感じます。素粒子に端を発するものの、たいていの状況では安定している、中性子と陽子が、光子を介在して、電子と結びついている。光子、すなわち電磁波は、日常いたるところで観測されますが、中性子も、陽子も、電子も、安定して存在しています。

なお、よく誤解されますが、質量欠損とは、核子が自由な状態にあったときの質量の和と、原子核の質量との差のことです。核反応によって、反応前後の質量欠損の差が、放出されるエネルギーの根拠になります。当然、素粒子は反応前後で、安定して存在しています。(弱い力の反応は除く)同じように、通常の化学反応でも、結合エネルギーの差だけ質量は変化しますが、値が限りなく0なので、過去、化学反応にて、質量保存の法則が成り立つとされたのは、仕方のないことです。

ですので、物質が対消滅して、質量がエネルギーになって消えてしまうことを、質量欠損とは言いません。
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>それは光のエネルギー[J]で表現したものと同等である


この前提が間違いの元。
光に限りません、他のエネルギーに変換すれば、そのエネルギーと等価ですよ。
>その質量の等価的エネルギーを光として表現したものと考える
特に問題はありません
>質量の正体は光あるいは熱(空間のエネルギー)であると言える
逆は必ずしも真ならず、これに反することを地で行っています。
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>ならば、質量の正体は光あるいは熱(空間のエネルギー)で


>あると言える。

今の標準理論では間違いですね。

物質の質量の殆どは核子の質量ですが、
核子の質量の大部分は核子の内部エネルギーに由来し
電磁場エネルギーでは無いとされています。

光のエネルギー電磁場のエネルギーですが、
エネルギーには更に種類があるということです。

核子の内部エネルギーはクオークの色荷によるもの
(グルーオン)ですが、
QCDの詳細はよく知らないのでパス。
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質量がエネルギーに変換できるという意味です。

エネルギーが質量に変換できるとも言えますが、実証はないように思います。エネルギーは、いろいろな形態をとりますが、最終的には、熱になります。熱から他のエネルギーに変換することもできますが、その時に必ずロスがでます。つまり、不可逆ということ。言い換えると、エントロピーが常に増加するということ。質量は性質ですので、正体は何かというのは、無理な質問ではないでしょうか。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。
確かに、エネルギーが質量に変換されると言うことを実験的に実証することが難しのは分かります。科学法則で、エネルギー保存則は唱えられますが、質量保存則は無いようです。それは質量がエネルギーに変換するから、保存するとは言えないからでしょう。難しいのは、エネルギーとは何かかも知れません。熱はエネルギーの一つの形態・状態でも有りましょう。ロスと言う意味もやはり熱エネルギーでしょう。原子力、火力発電所で、熱を利用して結局電気エネルギーと言う電線路空間に光と同じエネルギーを伝送させ利用している訳ですから、熱はロスではなくエネルギーそのものでしょう。自然界は実験で確認できなければ、その実相は科学論には成らないのが自然科学の論理ではありましょう。宇宙の星座が誕生するのも、熱エネルギーからとも採られるから実験で実証できなくてもエネルギーが質量になると考える方が合理的に思えます。質量からエネルギーに変換されるが、エネルギーから質量に変換されないなら、質量がだんだん減少してエネルギーだけの世界になってしまうように思えます。

お礼日時:2015/11/22 14:36

科学には「プラトン学派」と「アリストテレス学派」があります。

分かり易いのが量子論の「後ろの実在」に関する、アインシュタイン・シュレーディンガーの立場とコペンハーゲン学派の対立で、前者は実在があると考え後者は無いと考える。リチャード・ファインマンは「その議論は無意味だ、なぜなら立証出来ないから」とした。あなたの議論も同じだ、あなたは現象に「何かの表現」あるいは「意味」があって「解釈出来る」としているが、それは「空虚」で終わりがない「議論」になる、つまり「果てしのない、言い替え」でしかない。
科学で「言い替え」が認められるのは「過去の理論」では矛盾が起こる、あるいは予見出来ない、状態に押し詰められ、それを突破せねばならない時だ。「科学に意味は無い」
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