相対性理論

質問

なぜ、Ｅ＝ｍｃ２乗なのですか？

数式を使わず教えてください。

回答No.4

パブクシャンnoチビ枯淡（@tibikotan） · ベストアンサー

こんにちは！

『相対性理論』
＞なぜ、Ｅ＝ｍｃ２乗なのですか？
＞数式を使わず教えてください。

1974（昭和49）年と言う、若かりし頃一生懸命学んだ、
現在の一般教養としての常識を、当時の資料やメモを基に説明を試みます。

ご質問の公式：『E＝mc2』
Eは、物体のもつエネルギー　。ｍは、物体の質量。　ｃは、光速です。

この公式は、1905年に発表した『特殊相対理論』の中から導きだされた、
『質量とエネルギーを関連付けた公式』であり、
アインシュタインの一大成果です。

単純に一般的な説明表現をすれば
「ごく少量の物質が膨大な量のエネルギーに変わる」
こんな風な解釈になります。

もう少し物理学的に理屈を加えて説明を試みます。
「質量のすべてはエネルギーに等しく、
そのエネルギーは質量に光速の二乗をかけた値で与えられる」

これが、「ご質問で要求された“数式を使わない”」と言う、
要求に対する、単純で明快な回答であると思います。

これ以上の説明は・・・私には無理です。
うーん、他者にも無理かな？
卑近な例を使って説明すると、
「あれは月です」と言う人に、
「何であんなふうに言うの？」に等しい質問だからです。

ではもう少し難しい事を私の回答から敷衍し、
卑近的に…質量を核エネルギーで変換する事を、
現実的な面から蛇足として説明をしておきます。

実際の核分裂では、質量全体の0.05％。
核融合の場合は、質量の0.9％がエネルギーに変換されている。

1グラムの質量すべてをエネルギーに変換すると、
100兆ジュールになり、ほぼ広島型の原子爆弾と同じ程度のエネルギーに等しい。

このような変化を、粒子（物質）的な面で説明すると、
『陽子』や『素粒子』がエネルギーに変換されると、
『陽子』や『素粒子』が「消滅してしまうのではなく」、
「質量の無い光子に変化する」このような現象が、
宇宙線観測による研究で、事実として既に確認されています。

ご理解いただけたでしょうか。
この回答が、ご質問者様の疑問解消の、お役に立てば幸いです。

最後に『お願い』です．
貴重な時間を割いて回答をしています．
この回答でご質問に対する問題が解消できましたら，
速やかにここのルールに従って，
「回答への補足」「回答へのお礼」などと共にポイントを付けて，
次回の質問でも多くの回答をいただけるように
回答いただいた方々にも感謝を配慮して対処してください．
できれば読後のご意見など感想が欲しいですね．

物理学の説明で、するべきではない冗長な回答になりました。
誤字脱字などある場合は、機知にてご判断いただきご笑納ください。

なお、回答後の、「お礼」「補足」での質問には、お答えいたしません。
その場合は、再度の新規質問でおねがいします。

お礼

回答ありがとうございます。

「質量のすべてはエネルギーに等しく、
そのエネルギーは質量に光速の二乗をかけた値で与えられる」←私にはこれが一番わかりやすかったです。

あとは私の頭では理解に苦しむ内容で質問したい箇所はたくさんありますが、なんとなくは理解出来たと思います。説明を自分ですることは出来ませんが・・・

回答No.5

雪中庵（@psytex）

運動する物体の運動エネルギーは、1/2ｍｖ2です。
究極の理論といわれる超弦理論において、全ての
素粒子は光量子定常波の振動状態として得られ、
即ち、m＝静止質量とは、光量子現象を潜在化させる
階層現象を表面的に捉える事で、生じるものなのだ。
それは、原理的光速＝時間停止に対して、静止＝
時間軸を光速で移動する事だといえ、速度の自乗
が掛けられるのだ。

お礼

回答ありがとうございます。

文章にするとわかりやすくなると思いましたが科学は決してそうではありませんでしたね・・・

回答No.3

noname#175206

いや、数式を数式を使わず導けと言われても無理です。そこまで、もう少しややこしい式を導いて、その特別な場合として、E＝mc^2が出ますので。

　しかし、その式の意味は、エネルギーと質量は区別しなくていい、本質的に同じものということです。
　そして、式で表すと、お書きの通り、係数が光速cの2乗になるということですね。これは光速度cは、物体にとってどんな移動をしている誰がにとっても同じというのが相対論ですから、定数だとして、その決め方は置いておきましょう。

　時節柄、あまり評判が良くないですが、質量とエネルギーが本質的に同じで、少なくとも質量がエネルギーに変わる、これが顕わに分かるのは核分裂です。

　原子炉で燃料ウランを核分裂反応させた残りを全て完全にかき集めても、燃料ウランに含まれるウランについては、1％くらい、質量が足りないのです。
　ヘリウム原子核であるα線や電子であるβ線を計算にいれてもです。γ線は光ですけど、これは漏れていませんが、漏れたとして計算しても足りません。

　これは、核分裂として発生した熱（これが水を沸騰させ、石炭ボイラーと原理的に同じに、高圧蒸気が発生して、その力で発電機を回して発電します）、それがE＝mc^2でエネルギーに変わったとすると、1％足りない分を埋め合わせ、計算が合います。

　太陽は中心で莫大な核融合（これも質量がエネルギーに変わっている）を続けていて、質量は減り続けているのですが、なにせあまりにも巨大で膨大なので、変化したかどうかの観測はできていません。

　さらに、理屈から言えば、冷たい水を加熱すると、わずかでも重くなっているはずですが、光速度ｃが秒速30万kmという、とほうもなく大きい数字で、さらにその2乗という桁外れに大きい数字のため、その程度では観測できません。
　同様に、ダイナマイトとか、どんな強力な化学反応でも、計測できるほどの変化は分かりません。

　やっぱり、現在の技術ではっきり、物体がエネルギーを発して質量が減るのを計測できるのは、核分裂反応くらいのようです。
　これのさまざまなことは、原子炉よりも、素粒子の実験に使われる加速器（非常に大きな物があります）で、確かめられています。
　加速器では、いろいろな素粒子をぶつけて消滅させたり、あるいは、静止質量がない光から素粒子を発生させていますが、エネルギーと質量の関係は、E＝mc^2になっています。

　質量がエネルギーに変わるって、それくらい桁外れなことなんですね。

お礼

回答ありがとうございます。

なんかとんでもない数字が出てきましたね・・・

なぜウランだけを核分裂するのでしょうか？質量という事はエンピツもパチンコ玉も質量でこれに光速の２乗にすればエネルギーになるってことではないでしょうか？

また、質量×光速の２乗って意味がわかりません。パチンコ玉を光速２乗の速さで動かすという意味でしょうか？

またそうだとするとパチンコ玉が大爆発出来るって事でしょうか？？

的外れな意見かも知れませんが考えれば考えるほどわからなくなってしまいました・・・

回答No.2

funkydragon

その式ではすべての物質はエネルギーであるという事を証明してます。
逆に言うとエネルギーがあれば無から物質を作れると言う事になります。
宇宙がそうであるように。

なのでエネルギーと質量と時間（光の速度）いう概念が存在するこの宇宙空間ではE=mc²となるのです。

お礼

回答ありがとうございます。

シンプルで私にとっては非常にわかりやすかったです。

今度誰かに説明してあげれそうです。

回答No.1

cliomaxi

何故と言われても、この公式は「質量はエネルギーの一形態」を表したもので、計算上そうなるという事です。
で、相対性理論の基本となるのは光速です。

お礼

回答ありがとうございます。