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真空の何もない空間から、素粒子や
エネルギーが出てくると聞いた事があるんですが、
具体的には、何が出てくるんでしょうか?
詳しく教えてください。

また、規則性や法則性を以って、それらは、
現れるんでしょうか?
それとも、不規則にランダムに出てくるんでしょうか?

何卒、アドバイスのほどお願いいたします。

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A 回答 (5件)

 皆様が回答されておられる通りなのですが、私なりに回答してみます(実は、回答をどう書くか考えているうちにたくさんの回答が寄せられていました ^^;)。



>真空の何もない空間から、素粒子やエネルギーが出てくると聞いた事があるんですが、

 多分、量子論の不確定性原理から導かれる、対生成のことでしょう。不確定性原理というのは、今の場合、位置を正確に確定すればするほど、その位置でのエネルギーの大きさが確定しなくなるということです。
 つまり、原子などよりずっと小さい領域を物理的に解析してみると、そこでは大きなエネルギーが現れる可能性があるということです。このエネルギーにより素粒子がつくられます。つくられる素粒子は、普通の物質と反物質の対になります(これが「対生成」と呼ばれるゆえん)。
 なお、このような対生成で普通の物質と反物質ができても、すぐさま普通の物質と反物質が反応して消えてしまいます(対消滅といいます)。
 この対生成・対消滅により何らかのエネルギーなどが観測できるはずなのですが、今のところ、実際の観測では量子論から理論的に予想されるものよりはるかに小さい値しか得られていません(観測値は実質0とのことです)。

>具体的には、何が出てくるんでしょうか?

 理論的には、何でもでてくる可能性があるのですが、エネルギーの小さいものほど対生成がおきやすいので、ほとんどの場合、光子ができます(つまり光です)。光子の反物質は光子で、同じものなのですが、これもすぐ対消滅します。
 余談になりますが、対生成しても、対消滅が起きない場合があるという仮説があります。ホーキング博士が提唱しているもので、ホーキング輻射と呼ばれています。
 これは、ブラックホールの事象の地平面近くで対生成が起こったとき、対でできた一方の素粒子がブラックホールの強大な重力に引かれてブラックホールに落下し、残ったほうが宇宙空間に飛び出してくるというものです。残念ながら、これが観測されたことはまだなく、仮説の域を出ていません。

 さらに真空について踏み込んでみます。
 普通、真空というと宇宙空間のように何もない(厳密には星間物質がありますが、密度が小さいので今は無視します)空間を指します。しかし、量子論で突っ込んで考えた結果、観測できない素粒子で埋め尽くされているという仮説が出ています。この観測できない素粒子はヒッグズ粒子と呼ばれています(他に、ディラックが提唱した真空は観測できない電子で埋め尽くされているという「ディラックの海」という仮説もありますが、今は割愛します)。
 そこで、そのヒッグズ粒子がない空間が作れたとすると、それこそ本当の真空ということになります。そういう本当の真空の空間があるとすると、ヒッグズ粒子で埋め尽くされた普通の真空空間との間にエネルギーの差があることになり、エネルギーが取り出せるという仮説があります。
 ただ仮に仮説が正しいとしても、本当の真空を作るには膨大なエネルギーが必要とされており、現実にはできません。また、その真空から取り出せるエネルギーがどれくらいの量なのかについても諸説があって、未だに定まっていません。

 宇宙は現在膨張していることは観測事実として確定していますが、膨張の仕方については諸説あります。標準的な理論では、膨張の仕方は時間が経過すると、重力のせいで遅くなっていくとされています。しかし、宇宙の膨張の仕方が時間の経過とともに大きくなっていくと主張する物理学者も少なからずいます。
 つまり、宇宙が加速膨張しているということなのですが、もしそうだとすると、それが反重力のせいである可能性があります。つまり、反重力はあるのかも知れないということです。
 これらはまだまだ観測が不足で、盛んに議論はされているものの、確からしいところはわかっていません。
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この回答へのお礼

どうも大変有難うございました。
かなり詳しく、しかも、分かりやすくご説明
下さり、感謝です。私でも、かなり理解できたと
思います。

ただ、貴殿のお話ですと、「真空のエネルギー」
というのは、ほとんど「0」ということになるの
ですかね?? 
(その辺がまだ理解できてないのかも・・・笑)

あと、加速度的に膨張するということは、
等速直線運動なんてのを、昔やった記憶があるんですが、
それとは違いますよね。
ってことは、今も、宇宙は何らの力の作用で
自らのビッグ・バンの影響で膨張さしているのでは
なくて、膨張させられている・・・ということですよね。

そのような膨張「作用」の「主体的存在」があって、
その主体と対象(=宇宙)とのあいだで、
作用しあうための根源的な力。「第5の力」

そのような作用を行うことで、宇宙の存在基台が
造成されている・・・そのような根源的な力が
何かあるような気がしてなりません・・・

それではどうもです。大変参考になりました。
有難うございます。

お礼日時:2004/09/26 22:28

 普通は何も無い空間が真空ということになりますが、素粒子物理学では、物質が何もない空間であっても、物質場が存在すると考えます。

電子場にエネルギーを与えると、電子と陽電子が対生成しますが、真空は、そのような物質場で満たされていると考えます。このため、真空は何もない空間、というのではなく、エネルギーがもっとも低い状態にある空間のことだと考えます。
 真空はエネルギーが最低の状態なので、それより低いエネルギーにはなれません。したがって、真空からエネルギーが出てくることはありません。そのかわり、真空にエネルギーが与えられると、物質と反物質が対生成します。与えられたエネルギーで生成可能な物質ならば、いろいろな粒子が生成してくる可能性があります。大きなエネルギーを与えれば、重い粒子も生成することが可能なので、加速器で大きなエネルギーの衝突を起こすと、未知の粒子が発見される可能性もあります。
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>真空の何もない空間から、素粒子や


>エネルギーが出てくると聞いた事があるんですが、
>具体的には、何が出てくるんでしょうか?
この素粒子は「バーチャル(仮想)粒子」と呼ばれます.バーチャル粒子は直接観測できないですが,現実世界に影響を及ぼし,この粒子のもつエネルギーをすべて足し合わせたものが真空のエネルギーとなります.そして理論的に真空のエネルギーは反重力を生み出すと考えられています.
真空のエネルギーの存在を示す現象として,真空中に置かれた二枚の金属板が引き付け合うという「カシミール効果」があります.(例えば,10ナノメートルの間隔では約1気圧に相当するカシミール力が生じるそうです.)
金属板の間の空間は,バーチャル粒子の波が特定の波長しかとれません.これはボーアの水素原子モデルの考え方と似ています.したがって,特定の波長のバーチャル粒子しか存在できないので,バーチャル粒子の数は少なくなります.一方,金属板の外側は,バーチャル粒子の波長が自由にとれるので,バーチャル粒子の数は多くなります.結局このバーチャル粒子の数の差が,金属板の間と外で真空のエネルギーの差を生み,カシミール力が生じるということになります.
僕はそれほど詳しく知らないので,詳しい事は専門家の方にお聞きください.
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この回答へのお礼

どうも有難うございました。
かなりお詳しい内容で、ちょっと
理解するのに時間が掛かりそうですが・・・
大変参考になりました。感謝

お礼日時:2004/09/25 09:03

面白そうなので、まぜてください。



物理学で言う理論上の「真空」と、実際(実験上)の「真空」とは同じなのでしょうか?

極めて希薄な状態を「真空」といったりして...

専門の方、どうなのでしょうか?
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この回答へのお礼

面白いですよね。
真空からエネルギーが出てくる現象は、
私は、とても大発見につながりそうな
気がしているんです・・・漠然とですが・・・

お礼日時:2004/09/25 09:04

こんにちは。


真空のエネルギーと呼ばれるやつです。

全く何も無い真空中から物体が発生するのが確認されました。

では何も無いのでしょうか?
いいえ。空間が存在します。

ここからは私の主観です。
宇宙が外の空間と別の空間であれば、むしろ、エネルギーは外へ行けずに保存されてしまいます。

E=MC^2を変換すれば、M=E/C^2に変換されます。
M=E/C^2より、
エネルギーと質量は等しい。(同じである)
質量は、エネルギーと空間(C^2)さえあれば発生は可能である。こうなります。

質問の発生の法則ですが、宇宙全体のエネルギーが等しければ問題無いので、
消滅したエネルギーが、同じ量なら、宇宙のどこで再発生しようと関係ありません。

宇宙全体のエネルギーが保存されれば良いのです。
完璧に不規則に発生し、たまたま観測されます。

ちなみに、真空のエネルギーは、発見されただけで、
法則や理由、システムは全く解明されておらず、
仮説すら立っていません。
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この回答へのお礼

どうも早々に有難うございます。
素粒子が空間から飛び出してくる現象には、
法則性があると聞いた事があるんですが、
わたしの勘違いですかね?

大変参考になりました。どうもです。
                  感謝

お礼日時:2004/09/25 09:05

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物質は何で出来ているか?

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この疑問が世界的に未解決かもしれませんがお願いします。

Aベストアンサー

こんにちは。

無から有、宇宙の誕生、そして、砂と石。話にすごくギャップがあるのですが、
周りの人にこの質問をすると馬鹿にされたかもしれないので、ここで質問してよかったですね。

1.エネルギーと物質
アインシュタインの相対性理論の話になりますが、重さ(物質)とエネルギーは交換することができます。
円とドルみたいなものです。
よく知られている例は原子力で、核反応することによって合計の重さが減る代わりにエネルギーが出ます。
(ただし、これは核反応に限ったことではないのですが。)
また、1発(というか1個)のエネルギーがものすごい光(ガンマ線といいます)があるとき、それが2つの電子(プラスの電子とマイナスの電子)に化けることがあります。
つまり、エネルギーから物質と反物質が生まれることがあります。
両者がどこかで出合うと、消滅して光になります。

2.砂と石の元素記号
基本的に、二酸化ケイ素(SiO2)が多いです。つまり、Si と O です。
ほかの元素も混じってますが。

3.無から物質
たとえば、一つの容器の中の水の温度は、対流もなく、加熱も冷却もないという条件のもとでは、一見、全体の温度がまったく均一なのが最も安定であると考えがちです。
ところが、これは、高校で習う自由エネルギーの概念によって否定されます。ある程度のゆらぎ(乱れ、不均一)があることで最も安定になります。
同様に、固体の単結晶も、本当に完全な単結晶というのはなく、少し欠陥を持つことによって最も安定となります。
これと似たことが「無」にもあります。
「無」というと、本当に全体が全く無である状態を想像しがちですが、少しゆらぎを持ちます。
上に書いた「物質と反物質」が生まれては消え、また生まれては消え、という状態があるということです。
その状態が、江崎先生のノーベル賞と関係のある「トンネル効果」という現象によって、たまたま現実の世界に飛び出てくることがあります。
そこから雪崩的に「宇宙の始まりの始まり」となるわけですが、生まれてくる物質と反物質の量は同じであるため、普通に考えると物質と反物質が出会ってしまうことにより、両者は全滅するはずです。
ところが、小林先生と益川先生のノーベル賞と関係のある「対称性の破れ」により両者の量に偏りができ、一方だけが生き残り、物質のある宇宙となります。
まるで自分で見てきたように書いてますが、誰も宇宙の始まりを見た人はいないので、証明されているわけではありません。

4.元素と電磁気力
この世には、たった4種類だけの「力」があることが知られています。
・重力
・電磁気力
・原子核に関係する力 その1
・原子核に関係する力 その2
このうち、「元素」という現象を生み出しているのは電磁気力だけです。
なぜならば、元素の性質というのは原子核の周りにある電子の数(原子番号)だけによって決まるからです。
まあ、元素には「重さ」という性質もありますが、それは大した話ではなくおまけみないなものです。

5.物質のエネルギーは宇宙のごく一部
上に書いたとおり、物質はエネルギーと交換可能ですが、その考え方で物質をエネルギーに換算しても、そのエネルギーの宇宙全体に占める割合は4%しかなく、あとは、暗黒エネルギーというものが73%、暗黒物質というものが23%であることがわかっています。
これは、現在テキサス大学教授の小松さんの研究成果です。
http://kkono.cocolog-nifty.com/ukulelebeginner/2011/01/post-cf0e.html
この辺は、現在世界で盛んに研究されているところです。

(※ 以上、質量のことを、あえて「重さ」と書きました。)

暇なので、だらだらと書きましたが、ご参考になれば。

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ダークマターとか暗黒エネルギーとかを解明して、利用できるようにすれば永久に駆動する装置とか開発できると思うのですが、この考え方は、実現の可能性は少しでもあるのでしょうか??それとも、永久に動くもんとか理論的にあり得ん!現代科学では不可能!!何バカなこと考えとる的なレベルでしょうか??

Aベストアンサー

真空期待値では決して0にはなりません。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%9C%9F%E7%A9%BA%E6%9C%9F%E5%BE%85%E5%80%A4

対生成では保存法則を決して破りません。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AF%BE%E7%94%9F%E6%88%90

「絶対安全」あまりに無責任過ぎです。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9A%E3%83%AB%E3%83%86%E3%82%A3%E3%82%A8%E7%B4%A0%E5%AD%90

マクスウェルの悪魔に関しては情報をエネルギーに変換することに成功しています。
http://www.chuo-u.ac.jp/chuo-u/pressrelease_files/kouho_926d762ef5d729c7544d1276739468c5_1289788403.pdf

Q【宇宙の誕生】【ビッグバン】「無」から物質が何故発生するのでしょうか?

宇宙が誕生する前、つまり、この世界が誕生する前というのは「無」であったという説がありますが、「無」から何故物質が誕生しうるのでしょうか?
それを考えるとやはり「神」という存在が浮かび上がってしまうのですが、ではその「神」というものはどこから誕生したのか、哲学の域に達してしまいもう何がなんだか分からなくなってしまいます。
すいません、おかしな方向に行ってしまいましたが、質問の要点は「無」という状態から物質が発生することはありえるのでしょうか?
よろしくお願い致します。

Aベストアンサー

質問者さんはマウスに置いた手とマウスがどうして融合してしまわないかご存知ですか? それはモノとモノはぶつかりあっているからですよね。でも、実は厳密にいうとちょっと違うのです。
手とマウスをどこまでも細かく砕いていくと原子レベルまで細かくなります。しかし、この原子の並びは実はとてもスカスカに空いています。野球場のピッチャマウンドを原子核だとすると、ちょうど野球ボールくらいの大きさ電子は観客席のあたりをグルグル飛び回っているようなくらいです。その間には何にもありません。本当の意味で真空なんです。
となると、手の原子たちとマウスの原子たちがぶつかりあっ ているというのはちょっと考えられませんよね。では、なぜ混じりあわないのでしょう? それは、互いに反発する「力」があるため手とマウスが溶け合うなんてことにならないのですね。というように、本や机などこの世界は「力」で満ちていることがわかります。これは「力(エネルギー)」というものが「有」るということを実感してもらうための説明です。

ここで「力」が有るということはわかりました。一方、「モノ」の方はどうなんでしょうか? そもそもマウスというものはあるんでしょうか? はい、もちろんあります。哲学ではなんやかやといいますが、科学的には存在しています。
さて、そこで科学でいう「存在」です。この世に手やマウスが有るのはわかります。さらに私たちの知識ではそれらが原子で構成されていることも知っています。さらに素粒子というものに分かれるということを知っている人もいるでしょう。

素粒子というと、なんかすっごく細かいツブツブのようなイメージですよね。この世のすべてのモノはこのツブからできていると。しかし、実際はそんなツブツブは存在していないのです。科学のことばでいえばツブが有るのですが、日常の私たちのことばでいえば、そんなものは無いのです。ただ「力」が影響しあっているだけだといえるでしょう。

つまり、この世界に「モノ」なんていうものは 無 い のです。

じゃ、何があるんだ? といえば「力」だけが有るんですね。宇宙には何も無い、有るのはエネルギーだけといってもいいでしょう。はい、これが「有」ということ(状態)です。

では「無」とはなんでしょう? 無は通常0ですから、あらゆるものを宇宙全体から引き算していけばいいわけですよね。つまり、この世のエネルギーをどんどん取り払って引き算していきます。計算の途中経過は私にその知識も能力もありませんので、割愛しますが、科学者は、その結果が完全に「無=0」になることはない、と言っています。チラチラ振動している状態、つまり「ゆらぎ」の状態こそが「無」だというのです。科学でいう「無」というのは、私たちのことばでいう「何も無い」ということではなくて、エネルギーのゆらぎというのは絶えず存在している状態ということをさしています。
じゃ、力・エネルギーってなんだよ? その「ゆらぎ」を取り払ったらどうなるんだよ? という疑問がわきますね。しかし、その答えは分からない、科学では分かりようがない、ということになるそうです。科学で突き止めようのないことをいくら考えても、それは竜宮城と同じレベルのオハナシにしかなりません。ここまでなのです。

ここからあとが、#2さんのご説明に続きます。

※これはインフレーション宇宙論という仮説に基づいたものです。現在、最も信頼性が高く、今後ノーベル賞が続出であろうといわれる説です。
        --大急ぎでかいているため乱文すみません。

質問者さんはマウスに置いた手とマウスがどうして融合してしまわないかご存知ですか? それはモノとモノはぶつかりあっているからですよね。でも、実は厳密にいうとちょっと違うのです。
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Q熱の正体は分子の振動、ではそのエネルギーの正体は?

 熱の正体は、分子の振動!よく解りました。
では、分子を振動させるエネルギーの正体とは
一体なんなのでしょうか?分子が振動させるた
めには、どのような作用が働くのでしょうか?
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んか?イメージ出来ません。ぜひ又、ご教示を!

Aベストアンサー

エネルギーというのは、簡単に言うと”潜在能力”といっていいと思います。つまり、「エネルギーが在る」とは、「何かをし得る能力が在る」と翻訳できると思います。でも、直感的には「何かをする」には「何らかの力が働く」と考えるのが普通でしょうね。

で、おたずねの件の「分子を振動させる作用」ですが、このように考えたらどうでしょう?

化学結合している2原子分子、A-Bが真空中に在るとします。イメージ的には、バネでつながった2つの球を考えて下さい。
このままでは、振動は”しない”はずで、A-B 間の距離も変化しないでしょう(原子は大きいので、零点振動は無視しますね)。この時のA-B 間の相対位置を基準位置とします。この分子にとっては、この相対位置が安定なのです。

この分子が振動するには、何らかの力が必要です。叩いてもいいし、どうにかして分子中の電子分布を変化させてもいい。そのような何らかの力によって初速度?をもった分子は、”基準位置に戻ろう”とします。つまり、分子は何らかの力を受けたため安定でなくなり、”安定になろうとする能力”、すなわち”エネルギー”を受けたことになります。あとは振り子の場合と同じで、「運動エネルギー」と「位置エネルギー」の交換が起き続けることになります。これが振動の原理ということになります。まあ、巨視的な振動と基本的には同じですね。

最初の初速度は何によってもたらされたのかは、たぶん宇宙誕生と関わりが在ることなのでしょうね。そちらは専門ではないので、代わりにこのような分子の振動が変化する場合はどういう場合かついて2つ述べましょう。

まず一つは、atsuotaさんと同じく、分子間の衝突が上げられますね。

もう一つは、光(=電磁波;分子の振動に対しては、赤外線)によるものです。これは、分子が荷電粒子(電子・陽子)の集合体であるためで、それらと電磁波における”(振動)電場”とが相互作用します。

エネルギーというのは、簡単に言うと”潜在能力”といっていいと思います。つまり、「エネルギーが在る」とは、「何かをし得る能力が在る」と翻訳できると思います。でも、直感的には「何かをする」には「何らかの力が働く」と考えるのが普通でしょうね。

で、おたずねの件の「分子を振動させる作用」ですが、このように考えたらどうでしょう?

化学結合している2原子分子、A-Bが真空中に在るとします。イメージ的には、バネでつながった2つの球を考えて下さい。
このままでは、振動は”しない”はずで、A...続きを読む

Q対消滅、対生成について

高校物理の教科書がどうしても理解できず、質問させていただきます。

「質量mの粒子と反粒子は衝突すると合体して消滅する。これを対消滅といい、このとき質量とエネルギーの等価性から2mc^2に等しい光子などのエネルギーに転化し、さらに新たな粒子・反粒子つい生成する。これを対生成という。図は電子と陽電子が衝突して光子に転化した後にクォーク、反クォークを対生成することを示している。」

その図は画像で添付しました。E=mc^2、光子のエネルギー、運動量の式は学習しましたので質量とエネルギーの等価性については疑問点がありません。この文章の内容について質問させていただきます。まずここでいう消滅とは、電子と陽電子の質量がいったん0になることを意味していますか?それから、この文章から見ますと、対消滅と対生成は必ずセットで起こるような印象を受けますが、そういう理解でよろしいですか?対消滅してそのまま電磁波のままの場合や、電磁波が突然対生成するような場合というのはないのでしょうか?

 ところで教科書では消滅とはっきり言っていますが、相対論的効果で起きるような非日常的な現象がありますので、消滅という現象もはっきりと定義する必要があると思います。初めに電子と陽電子の運動エネルギーがあって、衝突した後に2mc^2のエネルギーの電磁波を出すと教科書に書いてありますが、それは質量がエネルギーに変わっただけで、もともと持っていた運動エネルギーは入っていません。完全に質量が0になり消滅するのであれば、光子に転化されるエネルギーは、2mc^2+(もともとの運動エネルギー)+(静電気力がする仕事)でなければと思うのですが・・・


それから、問題集で、対消滅を取り上げたものがあります。陽電子は電子が対消滅した後、0.51MeVのエネルギーを持った2つのγ線が放射され、たまに3つに分かれることもある。みたいな問題文があり、その後、陽電子、電子の運動エネルギーを無視し・・・と書いてあります。問いはそれぞれのγ線のエネルギーについて聞いています。

この「陽電子、電子の運動エネルギーを無視し・・・」という部分に引っかかっています。
運動エネルギーとは対消滅をする前?の運動エネルギーをさしていると思いますが、無視しというのは0と見なすということでしょうか?そうすると衝突する前の2つのエネルギーとは、静電気力による位置エネルギーということでしょうか?問題文では1つ分のγ線のエネルギーを提示しているので、衝突する前のエネルギーがどのようなものかわからなくても問題は解けるのですが、「陽電子、電子の運動エネルギーを無視し・・・」となぜあえて言っているのかが全く分かりません。あえて言っているということは、対消滅とは実際に電子や陽電子は消えるわけではない現象であり、「衝突後に運動エネルギーが0になった場合を想定しなさい」という風にも聞こえます。しかし教科書を読んでも衝突して消えるのか消えないのかということがはっきりしないので、大混乱に陥っております。質問の意味がややこしくてすみませんが、どうかお助けいただけませんでしょうか。

高校物理の教科書がどうしても理解できず、質問させていただきます。

「質量mの粒子と反粒子は衝突すると合体して消滅する。これを対消滅といい、このとき質量とエネルギーの等価性から2mc^2に等しい光子などのエネルギーに転化し、さらに新たな粒子・反粒子つい生成する。これを対生成という。図は電子と陽電子が衝突して光子に転化した後にクォーク、反クォークを対生成することを示している。」

その図は画像で添付しました。E=mc^2、光子のエネルギー、運動量の式は学習しましたので質量とエネルギーの等価...続きを読む

Aベストアンサー

 特殊相対論の、エネルギーWと、質量m・運動量pの関係式は、

 E^2=(mc^2)^2+(cp)^2

というものです。これを速度が光速度cに対して極めて遅いとして近似式を求めると、

 E=mc^2+(1/2)mv^2

が出て、質量エネルギーとニュートン力学の運動エネルギーの和であることがでてきます。

 さらに電荷を持つ二つの粒子を考えると、位置エネルギーもあります。重力は電磁気力と比べて、極めて弱いので普通は無視してよいとするのが通例です。お考えの、

>2mc^2+(もともとの運動エネルギー)+(静電気力がする仕事)

というのは、光速度に対して極めて遅いときの近似式に相当します。光速度が顕わに影響する速度では、上述のエネルギーと質量・運動量の関係式を用いないと、誤差が大きすぎることになるのは、注意が必要かもしれません。

 対消滅→対生成では、厳密に考えるなら運動エネルギー、位置エネルギーも影響します。光子のエネルギーは波として対応する振動数がλだとすると、プランク定数hを用いて、

 E=hλ

ですから、運動エネルギー、位置エネルギーの分、質量エネルギーだけを考慮した場合とは、振動数λが変わります。対消滅・対生成で光子となっている過程では、質量ある素粒子だったときの運動量、位置エネルギーが振動数に反映されるということですね。

 ただ、運動エネルギー、位置エネルギーは微々たるものです。CERNなどのような、限りなく光速度近くまで素粒子を加速する大規模実験器では、運動エネルギーが大きく出てきますが、光速度の数パーセント程度(普通は大変な高速)であれば大したことはありません。

 運動エネルギーを考慮して正確にするのは、特殊相対論のエネルギーと質量・運動量の関係式をみても、ちょっと複雑そうであることが分かります。位置エネルギーもきちんと考慮したいなら、もっとややこしい一般相対論を持ち出す必要がありますが、一般相対論では大きさがゼロの物体を扱うことができず(無限大の発散が出てくるため)、エネルギー密度などを考えた、さらに複雑、煩雑なものになります(一部、未解決の問題もあったりする)。

 おそらくですが、教科書の意図としては、対消滅・対生成に運動エネルギー、位置エネルギーを付加して正確に説明しても、概念的な理解に寄与しない、やたらに複雑にするのは避けよう、ということではないかと思います。限りなく光速度に近い速度が関わる素粒子加速実験装置の開発者、使用者なら許されないことですが、基本事項を押さえるためなら、運動エネルギーを無視する、つまり光速度に対して充分遅い場合で問題ありません。

 また、位置エネルギーは常に質量エネルギーに対して極めて小さく、光速度に近い場合の運動エネルギーに対しても極めて小さく、CERNなどでの実験でも無視しています。位置エネルギーの考慮は、理論的な考察で、素粒子同士の反応を微細に検討するときくらいでしょうか(そして、しばしば無限大の発散が出てお手上げになる)。

 対生成・対消滅はエネルギー、質量の変化過程が、mc^2→hλ→mc^2として考えれば、概念的な理解に支障はありません。なお、光子となってエネルギーがhλの段階では、質量はゼロです。それが、E=mc^2という質量とエネルギーの等価性ということです。振動数の大きい光、つまりガンマ線を使って対生成を起こすことはできますし、行われてもいます。

 その教科書の記述は、厳密でなく正確ではないものの、概念的な理解の便宜のために、敢えて無視してあることもある、と受け取っておくのがいいのではないかと思います。

 特殊相対論の、エネルギーWと、質量m・運動量pの関係式は、

 E^2=(mc^2)^2+(cp)^2

というものです。これを速度が光速度cに対して極めて遅いとして近似式を求めると、

 E=mc^2+(1/2)mv^2

が出て、質量エネルギーとニュートン力学の運動エネルギーの和であることがでてきます。

 さらに電荷を持つ二つの粒子を考えると、位置エネルギーもあります。重力は電磁気力と比べて、極めて弱いので普通は無視してよいとするのが通例です。お考えの、

>2mc^2+(もともとの運動エネルギー)+(静電気力がする仕事...続きを読む

Q「強い力」は引力で「弱い力」は斥力ですか?

基本相互作用(自然界の四つの力)についての質問です。
とは言っても物理は高卒程度なので、表面的に分かり易い大雑把な回答をお願いします。

基本相互作用中、重力には引力のみ、電磁力には引力と斥力がありますね。
『強い力は核子を結合させている』との記述がありましたので、引力と思われます。
『弱い力はβ崩壊に関わる』との記述がありましたので、斥力と思われます。

Wikipediaやらその他のサイトをググってみても、強い力と弱い力について、はっきりと『引力だ!』『斥力だ!』と書かれていなかったので質問を挙げました。

自分の考え方で合っているなら『合っている』だけで構いません。
間違っているなら極表面的な解説をお願いします。
なにせWikipediaの解説ですら難解に感じているほどなので、「簡単に説明するのは難しいのでしない」でも結構です。

よろしくお願いします。

Aベストアンサー

 引力か斥力かを、ざっくり言えば、弱い力も強い力も一種の引力だと言えます。なぜなら、どちらもプラスの電荷の陽子と電気的に中性の中性子が集まってできている原子核が、どうして電気的な反発力(中性子はともかく、陽子は電気的にプラスで反発)があるのに、壊れずに安定して存在しているかを説明する力ですから。

 重力や電磁気力だと、遠隔作用説的には、二つの物体の間に「力」が働くと説明しますし、近接作用的には、ある物体の周りの空間が歪み、そこに別の物体を多くと、その別の物体が力を受ける、というような説明をします。

 弱い力と強い力は、普通はそういう説明をしません。原子核内部のことですから、以降、物体ではなく素粒子という言葉を使います。また、重力は電磁気力よりはるかに弱いので、無視します。

 原子核では、陽子同士が反発します。でもなぜ壊れないか、ということを説明するには、「陽子や中性子が何か素粒子を交換している関係があるために安定する」ということがいえればOKだと分かっていました。これを「交換力」といいます。

 つまり、電磁気力のような二つの電荷の「間」に働く「力」とか、電磁気的に「空間が歪む」とか、そういう発想と根本的に異なるわけです。
 素粒子同士が互いに素粒子を受渡しする関係があるから離れられない、なぜならそのほうが安定する、つまりエネルギーが低い状態になっている、ということです。

 水は水路さえあれば、高い所から低い所に流れて行きます。逆は自然には起こりません。高い所に移そうとすれば「エネルギー」を使って、ポンプなりなんなりでくみ上げなければなりません。
 おおざっぱな言い方ですが、物理現象はすべて、エネルギーの低いほうへ移るのが自然の成り行きです。言葉を変えれば、エネルギー準位(高さの度合い)の低いほうが安定するわけです。不安定な状態は壊れて、安定な状態に落ち着くのが自然の成り行き、とも言えるでしょうか。

 弱い力と強い力に戻りまして。中性子は不安定な素粒子だということが分かっていました。ベータ崩壊、つまり電子を出し、同時に反ニュートリノという素粒子を放出して陽子になってしまうのです。このとき、そばに陽子があると、その電子と反ニュートリノを吸収して中性子に変化します。
 そこで、原子核内部では陽子と中性子が電子と反ニュートリノの交換をしていて、その交換関係の交換力のために、原子核は電磁気的な斥力に打ち勝って安定しているのではないか、と考えられました。

 しかし、その交換関係の交換力では、電磁気力に勝てないことが分かりました。

 そこで、湯川博士は未知の「中間子」というものがあって、それを陽子や中性子が交換する交換力がある、という仮説を提唱しました。他の物理学者は、その仮説には冷やかでしたが、宇宙からの放射線の中に、確かに中間子と考えられる素粒子が観測され、さらに実験などで検証されて、中間子の実在が証明されました。
 そうしてようやく湯川博士の仮説が認められ、陽子同士が中間子を交換する交換力により原子核が安定しているとなりました。これが「強い力」です。これのおかげで、湯川博士はノーベル物理学賞を受賞しています。

 その後、研究が進み、中間子以外にも「強い力」があることが分かってきたので、中間子による強い力は、核力と名付けられて区別されています。

 以上のように、弱い力も強い力も原子核を構成する陽子や中間子を結びつける力ですので、一種の引力とも言えますが、そのメカニズムが違うので交換力と呼ぶのが普通です。ですので、引力(とか斥力)という言葉で説明することが、あまりないのだと思います。

 引力か斥力かを、ざっくり言えば、弱い力も強い力も一種の引力だと言えます。なぜなら、どちらもプラスの電荷の陽子と電気的に中性の中性子が集まってできている原子核が、どうして電気的な反発力(中性子はともかく、陽子は電気的にプラスで反発)があるのに、壊れずに安定して存在しているかを説明する力ですから。

 重力や電磁気力だと、遠隔作用説的には、二つの物体の間に「力」が働くと説明しますし、近接作用的には、ある物体の周りの空間が歪み、そこに別の物体を多くと、その別の物体が力を受ける、...続きを読む

Q重力による時間の遅れがわからない

こんにちは。
重力が強いほど時間の流れが遅くなる理由について教えて下さい。
よく特殊相対論による時間の遅れについては、光時計の比喩で説明されていて分かるのですが
光速に近づくにつれて光線が斜めに伸びて、光線が戻ってくるまでに1秒以上かかります。

重力が強い程に時間の流れが遅くなるのをこの光時計の比喩でわかりやすく教えて下さい。

ちなみに『竜の卵』というSFでは中性子星にチーラという知的生物がいて
人類の100万倍の進化速度になる理由を教えて下さい。
設定では直径20kmで表面重力は670億G。
なぜ重力が強くて時間の流れが遅いのに、100万倍の速度なのかがわかりません。
地球時間では15分がチーラでは60年に相当するそうです。
だから人類の科学力をあっという間に追い抜いてしまうそうですw

よろしくお願いします。

Aベストアンサー

 相対論では真空中の光速度が基準で、時間や空間(時空)は、光速度により変化します。

 光も重力で自由落下します。もし重力源に逆らって光を放つ、つまり星の表面から光を放てば、真空中の光速度(秒速30万km)と自由落下する速度の合成(足算)になります。

 これは水中での光の速度が遅くなるのとは異なり、時空の性質によるものです。そのため、光は相変わらず宇宙での特別の速度であり、やはり光は時間や空間の基準となります。

 遠方から見て、星の表面から放たれる光が重力のために秒速15万kmとなるなら、星の表面での時間は、遠方から見ると半分の速さで進んでいます。なお、その星の表面で見れば光は(局所的には)秒速30万kmであり、自分の時間の速さが遅くなっているとは観測できません。それが一般相対論がいう、重力による時間の遅れです。

 しかし、その星表面から遠くを観測すれば、自分より倍の速さで時間が進んでいることが分かります。相対速度を持つ者同士が、どちらも相手の時間がゆっくり進んでいると主張して、それがどちらも正しいという状況(特殊相対論がいう時計の遅れ)とは異なります。

>なぜ重力が強くて時間の流れが遅いのに、100万倍の速度なのかがわかりません。

 そうなりません。中性子星表面の時間は、強い重力のため(赤道などだと速度の影響も少し加わる)、遠方に比べると遅くなっています。竜の卵に出てくる中性子星の知的生命体チーラはの生物的な感覚時間が速いのは、チーラがいわば巨大原子核が生物になったようなものだからです。

 思考であれば、人間の脳は化学反応により思考しますので、光速度の制限はもとより、化学反応速度の制限を受けます。チーラは、それが原子核内の反応であるため、とてつもなく速くなっています(生きた量子コンピュータみたいな感じ)。

 なお、チーラやその生活環境は、自然科学を度外視しての想像ではなく、中性子星表面で起こり得る反応を考慮して設定してあるようです。

 相対論では真空中の光速度が基準で、時間や空間(時空)は、光速度により変化します。

 光も重力で自由落下します。もし重力源に逆らって光を放つ、つまり星の表面から光を放てば、真空中の光速度(秒速30万km)と自由落下する速度の合成(足算)になります。

 これは水中での光の速度が遅くなるのとは異なり、時空の性質によるものです。そのため、光は相変わらず宇宙での特別の速度であり、やはり光は時間や空間の基準となります。

 遠方から見て、星の表面から放たれる光が重力のために秒速15万kmとな...続きを読む

Q物理定数はなぜ

物理定数はなぜその値なのでしょうか。
人間原理以外の人はどの様に考えているのでしょうか。

Aベストアンサー

 ロバート・フォワードのSF「竜の卵」は、中性子星の表面に住んでいる、核子でできた知的生物の話です。なにしろヒトよりクロックが6桁ぐらい早いので、あっという間に歴史が進む--この連中の考えるだろう人間原理を想像してみると、人間原理も結構相対的かもしれない、という気がしてきます。
 互いに没交渉だけれど、いろんな宇宙があって、そのうちのほんの一部に於いてであっても、(少々物理定数が違ってたって、)似ても似つかないけれどそれなりに知的な系が勝手にできちゃって、それぞれがてんでに人間原理の議論をやってたりしても、おかしくないような気がしてます。
 なお、マクロな時空の次元が1つ2つ違うだけで、エライことになりそう。たとえば、2次元だと大抵の作用が1/r則になってしまって、遠くでは発散! 4次元だと近距離しか相互作用がないんじゃないかな。物理定数ドコロではないかもしれませんね。
ちなみに、昔のNatureにeとπと光速cと電子の質量(だっけか?)を使って、簡単な等式が成り立つけど、まぐれでしょうか?という短いノートが掲載されたとか。

Q波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式は?

波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式を知っていたら是非とも教えて欲しいのですが。
どうぞよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

No1 の回答の式より
 E = hc/λ[J]
   = hc/eλ[eV]
となります。
波長が nm 単位なら E = hc×10^9/eλ です。
あとは、
 h = 6.626*10^-34[J・s]
 e = 1.602*10^-19[C]
 c = 2.998*10^8[m/s]
などの値より、
 E≒1240/λ[eV]
となります。

>例えば540nmでは2.33eVになると論文には書いてあるのですが
>合っているのでしょうか?
λに 540[nm] を代入すると
 E = 1240/540 = 2.30[eV]
でちょっとずれてます。
式はあっているはずです。


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