E=mc2が示す質量とエネルギーの秘密を徹底解説

はじめに：E=mc2は本当に理解されているか

アインシュタインが生み出したE=mc²は、科学の象徴のように扱われています。しかし、多くの人は「質量とエネルギーが同じらしい」という曖昧な理解で止まっています。この記事では、動画の内容をもとに、この公式が示す世界の仕組みをやさしく解説します。

特に、光のエネルギーがなぜE=mc²では求められないのかという、直感的には不思議なテーマに踏み込みます。

私たちが日常で想像するエネルギーは、たとえば太陽の熱や電気の力といった「働き」です。しかし科学的な意味でのエネルギーはもっとシンプルで、実は運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの2種類しかありません。

豆知識：温度は「粒子の運動エネルギーの平均値」です。つまり、熱いコーヒーは粒子が激しく動いている飲み物です。

動画では、ウランの核分裂を例に挙げ、質量が運動エネルギーに変換されるプロセスを説明しています。ウランが分裂すると粒子が勢いよく飛び散り、その運動エネルギーが熱となり、最終的に発電に使われます。

驚くべき点は、分裂後の総質量が分裂前よりも少なくなることです。これは失われた質量が運動エネルギーに変換されたためであり、E=mc²そのものです。

豆知識：陽子の質量の約99％は「中にある3つのクォーク以外」で構成されています。つまり、陽子はほぼ“エネルギーの塊”です。

E=mc²を使うには、粒子が停止しているか、または粒子と同じ速度で観測する必要があります。しかし、光は秒速30万kmという一定速度で動き続け、絶対に停止しません。また、光と同じ速度で動こうとしても、その状態から見ても光は同じ速度で進み続けます。

つまり、光とは同じ参照フレームに入ることが不可能であり、E=mc²を直接使えないのです。

関連情報：光は質量が0であるにもかかわらず、運動量を持っています。これは「運動量は質量×速度」でなく、「エネルギー÷光速」で定義されるケースがあるためです。

面白い現象があります。光子そのものには質量がありませんが、光子をたくさん閉じ込めた箱全体は重くなるのです。光子というエネルギーの塊が箱の中を跳ね回り、その「エネルギーを含む領域」が質量を持つためです。

太陽の内部はまさにこの状態で、核融合で生まれた大量の光子が逃げられず、内部に留まり続けます。その結果、太陽全体の質量の約0.001％は光子のエネルギー由来です。

光子は太陽のコアで生まれても、まっすぐ外に出られず、17万年もかけて表面へ向かいます。その間ずっと箱の中で反射し続けるため、太陽の質量の一部になっているのです。

質量とエネルギーの唯一の違いは「動かしにくさ」です。この動かしにくさ、つまり慣性を与えているのがヒッグス場です。光子はヒッグス場と相互作用しないため質量がなく、クォークや電子はヒッグス場と相互作用することで質量を持ちます。

補足：よく「ヒッグス粒子は質量の1％しか与えていない」と言われますが、これは厳密には解釈の誤りです。陽子の質量の1％がクォーク由来という意味であり、ヒッグス場がそれを否定するものではありません。

動画を通じてわかるのは、私たちの世界を形作る物質は、ほとんどが「エネルギーの働き」からできているということです。質量は単純な物体の重さではなく、エネルギーが構造の中に閉じ込められた結果生まれた性質です。

E=mc²は単なる計算式ではなく、宇宙の成り立ちそのものを示す鍵であり、光がなぜ質量0でも力を持つのかという直感的な謎を解くヒントにもなっています。