エネルギーについて教えてください。

質問

エネルギーについて教えてください。

　　　　よく誤解されることがあるので予め．．．
　　　　私は反相対論者などではありません。　何とか理解しようと努力しているのですが考えれ
　　　　ば考えるほど疑問が出てきてしまいます。　それを質問させていただきたいのです。

　　　　（１）アインシュタインの一般相対性理論によれば、質量とエネルギーは等価で

　　　　Ｅ＝ｍｃ＾2 となっています。

　　　　但しこれは質量があるものの「静止エネルギー」だとしています。

　　　　ここでいう「静止」とは何に対する静止なのでしょうか？

　　　　もし宇宙空間に対して静止ということなら、それが静止していることをどのように
　　　　確認できますか？　

　　　　一方「運動エネルギー」ですが　　　　

　　　　　Ｅ＝1/2ｍv＾2 です。　前式とよく似ていますが一方は「静止」、一方は「運動」
　　　　　です。　　

　　　　　また「光のエネルギー」は　

　　　　　　　Ｅ＝ｈｖ　　ｈはプランク定数、ｖは振動数です。

　　　　　左辺は全てＥですが、これらは本質的に同じものですか？

　　　　　例えば車中のラジオのＬＥＤなど質量のあるものが光を出しながら動いている場合

　　　　　このＬＥＤのエネルギーは

　　　　　静止エネルギー（ｍｃ＾2）＋運動エネルギー（1/2ｍv＾2）＋光のエネルギー（ｈｖ）
　　　　　となるのでしょうか？

　　　　　多分熱なども出しているのでこれだけではないとは思いますが．．．このような足し
　　　　　算でよいのでしょうか？

　　（２）そもそも質量があるものの「静止エネルギー」とは、その正体は何ですか？

　　　　　Ｅ＝ｍｃ＾2　　のｍは質量、ｃは光速に相当する定数です。

　　　　　つまりｃは速度成分でどこかから得たはずですし、ｍも何かから得た結果のはずです。

　　　　　γ線照射での電子、陽電子対生成という光（電磁波）から質量が出来ることが知ら
　　　　　れています。　しかもその光のエネルギーはｈＶはＥ＝ｍｃ＾2に一致するとか．．　　

　　　　　ということは質量は振動数の高い光（電磁波）から出来たのでしょうか？

　　　　　確かに、何故γ線より振動数の高い光（電磁波）が無いのか？という素朴な疑問
　　　　　があります。

　　　　　振動数の高い光（電磁波）は光速度Ｃを失って静止し、その振動エネルギーが質量
　　　　　に変わってしまうのでしょうか？

回答No.1

Tacosan · ベストアンサー

(1) 「静止エネルギー」ではなく「(静止) 質量エネルギー」ですね. もちろん「観測者に対し静止」です.
LED が放出している光のエネルギーは「LED のエネルギー」に含めないと思いますよ.
(2) これはどちらかというと「質量」の正体について問うべきではないかな. 空間的に局在するエネルギーは「質量」として観測されるんだけど, これも厳密にいえば「なぜ質量が生み出されるのか」というところから考えなきゃならなくって, それ自体はわかっていないはず.
あと, 「何故γ線より振動数の高い光（電磁波）が無いのか」というのはあんまり意味がない気がします. だって, 「十分エネルギーの高い電磁波」は全て「γ線」と呼ぶことになっているのだから.

お礼

ご回答ありがとうございます。

γ線については完全に知識不足でした。　光の振動数には伝播限界があるのか？と思っていました。　それが質量に変わるのか？と．．．　

やはり最先端の物理学をもってしても質量の本質を突き止めるのは至難の業ということなのですね。
それにしてもこんなに身近にある質量やエネルギーの本質が謎だらけというのは何とも皮肉でじれったいことですね。

回答No.2

hiziki63en

不勉強でして間違ったことを書くかもしれません。
理解の糸口となるかも、程度にお読みください。

わたしはNo.1さんの仰るところの
「なぜ質量が生み出されるか」
にあたる考えを知り、この辺りの気持ち悪さがある程度解消されました。

●ゲージ粒子
粒子は常に周囲にゲージ粒子なる素粒子を光速で出し入れしています。
直感的には、ブーメランを投げては受け取り、を繰り返している状態です。
当然、粒子の近くほどブーメランが飛び交っています。
●遠隔力
ここで、このゲージ粒子を投げた先に他の粒子がいて衝突吸収されると、
運動量が受け渡されて、お互いが近づいたり遠ざかったりします。
これが遠隔力（重力、電磁力など）の原理です。
重力はグラビトン、電磁力はフォトン、というゲージ粒子が対応します。
●質量
ところで、私達は「質量」というものは、
「その物体と別の物体の間にどれくらいの重力が働くかを示す量」として確認します。
「質量」とは素粒子的には、
「その物体がどれだけグラビトンをたくさん飛ばしているか」を表します。

というわけで、質量のエネルギーmc^2とは、
「周囲に飛ばしているグラビトン全体のエネルギー」を指します。
また光のエネルギーhνは、（かなり乱暴にいうと）
「電荷から飛び出したフォトン一つのエネルギー」です。

ＬＥＤの話であれば、
　前者２つはＬＥＤ自体に付随するエネルギー、
　後者１つはＬＥＤが放出した粒子のうち一個のエネルギー
ということになるかと思います。

こう考えると色々と便利ですが、ただしやっぱり
「エネルギーって一体なんだ」「慣性ってなんだ」
などと突き詰めていくと、よくわからなくなりますね。

それからγ線について、
>>何故γ線より振動数の高い光（電磁波）が無いのか？
とありますが、γ線の振動数上限は特にないと思います。
（さすがに波長がプランク長さ以下とかは有り得ない気がしますが）
γ線はエネルギーが閾値（2mc^2とか）を超えれば必ず対生成するわけでなく、他の粒子の存在などのトリガーが必要なはずです。

お礼

ご回答、ありがとうございました。　
私自身、量子力学や素粒子論のことは全く素人で、まして難解な数式は手に負えませんが
物理学には大変興味があり、特に自然界の本質を突き止めようとする姿勢に心から敬意
を抱いておています。
　おそらく皆様方から見れば稚拙な疑問と思われるかも知れませんが、本質を知りたいと
いう意欲だけは旺盛です。
今後ともいろいろ質問させていただきたいと思いますのでご教授の程よろしくお願い致しま
す。

γ線については、全く認識不足でした。　喉の痞えが取れました。
一方、量子論的なお話はやはりこれまでの私の物理感覚を超越している感じで現状では
到底理解できそうもありません。　おいおい勉強したいと思います。

ありがとうございました。