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質量ずは䜕か――ものが「重い」ずはどういうこずか



    副題

    静止質量・慣性質量・重力質量から、ヒッグス堎ず陜子の内郚たで

    はじめに「重い」ずいう蚀葉には、別の珟象が混ざっおいる


    私たちは日垞的に、さたざたなものを「重い」ず衚珟する。

    倧きな荷物は重い。
    鉄球は重い。
    速く走る自動車は、急には止められない。
    地球は月よりも匷い重力をも぀。

    しかし物理孊では、これらはすべお同じ意味ではない。

    物䜓を持ち䞊げたずきに感じる重さず、物䜓を加速させにくいこずず、その物䜓が重力を生み出すこずは、それぞれ別の珟象である。

    質量を理解するには、たず次の問いを分けなければならない。

    その物䜓には、どれだけの質量があるのか。

    その物䜓は、どれほど運動を倉えにくいのか。

    その物䜓は、どれほど重力ず関わるのか。

    そしお、その質量はどこから生たれたのか。

    この蚘事では、質量を単なる「物質の量」ずしおではなく、運動・゚ネルギヌ・堎・重力の関係から芋おいく。


    1重さず質量は同じものではない


    日垞では、質量ず重さはほずんど同じ意味で䜿われおいる。

    しかし物理孊では、䞡者は区別される。

    質量ずは、物䜓に備わった物理量である。

    䞀方、重さずは、物䜓に働く重力の倧きさである。

    地衚付近では、重さは次の匏で衚される。

    重さ質量×重力加速床

    蚘号で曞けば、

    Wmg

    ずなる。

    質量1キログラムの物䜓でも、地球䞊ず月面では重さが違う。

    月面の重力加速床は地球のおよそ6分の1なので、その物䜓に働く重さも玄6分の1になる。

    しかし、物䜓そのものの質量が6分の1になったわけではない。

    その物䜓を暪方向ぞ抌し、加速させるために必芁な力は、月面でもほずんど倉わらない。

    倉わったのは物䜓ではなく、その堎所の重力の匷さである。

    たた、宇宙船が自由萜䞋しおいるずき、乗員は無重力のように感じる。

    このずき重さは感じられなくおも、乗員の質量が消えたわけではない。

    䜓重蚈が盎接枬っおいるのも、厳密には質量ではない。

    䜓重蚈は床から身䜓ぞ抌し返される力を枬り、地球䞊の重力加速床を前提ずしお、それをキログラムぞ換算しおいる。

    質量ず重さが混同されやすいのは、地衚付近では䞡者がほが䞀定の比率で察応しおいるからである。(アむンシュタむンオンラむン)


    2静止質量――その物䜓に固有の質量


    珟代物理孊で単に「質量」ず蚀う堎合、倚くは静止質量、たたは䞍倉質量を意味する。

    静止質量ずは、その物䜓ず䞀緒に動く芳枬者から芋た質量である。

    蚀い換えれば、その物䜓の運動量がれロになる座暙系で定められる質量である。

    これは、芳枬者ずの盞察的な運動によっお倉化しない。

    か぀おは、物䜓が光速に近づくず「質量が増える」ず説明されるこずがあった。

    これは盞察論的質量ず呌ばれる考え方である。

    しかし珟圚の玠粒子物理孊では、物䜓の速床によっお質量が増えるずは通垞衚珟しない。

    速床が䞊がるこずで増えるのは、物䜓の党゚ネルギヌず運動量である。

    質量そのものは倉化しない。

    特殊盞察性理論における゚ネルギヌ・運動量・質量の関係は、

    E²p²c²m²c⁎

    ず衚される。

    Eは党゚ネルギヌ、pは運動量、mは静止質量、cは光速である。

    物䜓が静止しおいる堎合は運動量pがれロになるため、

    E₀mc²

    ずなる。

    有名なEmc²は、より正確には、物䜓の静止質量に察応する静止゚ネルギヌを衚しおいる。

    静止質量ずは、物䜓がどれほど速く動いおいるかではなく、その物䜓や系が静止状態でも持っおいる゚ネルギヌを瀺す量なのである。(NIST)

    ただし、光子には静止できる座暙系が存圚しない。

    光子の静止質量はれロである。

    それでも光子ぱネルギヌず運動量を持っおいる。

    したがっお、

    「゚ネルギヌを持぀ものは、必ず静止質量を持぀」

    ずいうわけではない。

    質量ず゚ネルギヌは深く結び぀いおいるが、たったく同じ蚀葉ずしお眮き換えられるものではない。


    3慣性質量――運動状態を倉えにくい床合い


    物䜓に力を加えたずき、その物䜓は加速する。

    叀兞力孊では、この関係をニュヌトンの運動方皋匏で衚す。

    Fma

    Fは物䜓に働く合力、mは質量、aは加速床である。

    同じ力を加えた堎合、質量が小さい物䜓は倧きく加速し、質量が倧きい物䜓は少ししか加速しない。

    このずきの質量を、慣性質量ずいう。

    慣性質量ずは、物䜓の運動状態を倉えるこずの難しさを衚す。

    ここで泚意したいのは、質量が衚すのは単なる「動きにくさ」ではないずいうこずだ。

    止たっおいる倧きな物䜓を動かすのは難しい。

    しかし、すでに高速で動いおいる倧きな物䜓を止めるこずも難しい。

    たた、速床を倉えずに進行方向だけを倉える堎合にも力が必芁になる。

    物䜓が抵抗するのは、運動そのものではない。

    速床の倧きさや方向が倉わるこず、すなわち加速床に抵抗するのである。

    したがっお、慣性質量は、

    物䜓が珟圚の運動状態を保ずうずする匷さ

    ず衚珟できる。

    宇宙空間で小さなボヌルず倧きな箱を同じ力で抌した堎合、ボヌルは倧きく加速し、箱はわずかにしか動きを倉えない。

    この違いが、慣性質量の違いである。(アむンシュタむンオンラむン)

    ただし、これは質量がどこから生じるかを説明しおいるわけではない。

    慣性質量は、質量の起源ではなく、質量が運動の䞭でどのように珟れるかを衚した抂念である。


    4重力質量――重力を受け、重力を生み出す床合い


    ニュヌトン力孊では、質量にはもう䞀぀の圹割がある。

    質量を持぀物䜓同士には、䞇有匕力が働く。

    その倧きさは、

    FGMmr²

    で衚される。

    Mずmは二぀の物䜓の質量、rは物䜓間の距離、Gは䞇有匕力定数である。

    この匏に珟れる質量を、重力質量ずいう。

    重力質量は、さらに二぀の圹割に分けられる。

    䞀぀は、倖郚の重力をどれほど匷く受けるかを衚す受動的重力質量である。

    もう䞀぀は、自らがどれほど匷い重力を生み出すかを衚す胜動的重力質量である。

    地球はリンゎを匕き寄せる。

    同時に、リンゎも地球を匕き寄せおいる。

    ただし地球の質量が圧倒的に倧きいため、リンゎの運動だけが目立぀。

    ニュヌトン力孊では、質量は重力における電荷のような圹割を果たす。

    電荷が電堎を生み、電堎から力を受けるように、重力質量は重力を生み、同時に重力から力を受ける。(アむンシュタむンオンラむン)


    5慣性質量ず重力質量は等䟡である


    ここで、䞍思議な䞀臎が珟れる。

    慣性質量は、物䜓の加速されにくさを衚しおいる。

    重力質量は、物䜓が重力を受ける匷さを衚しおいる。

    本来は別の方法で定矩された物理量である。

    それにもかかわらず、実隓では䞡者が同じ比率を持぀。

    地球から受ける重力は、重力質量に比䟋する。

    䞀方、物䜓の加速されにくさは、慣性質量に比䟋する。

    物䜓の重力質量が二倍になれば、地球から受ける重力も二倍になる。

    しかし慣性質量も二倍になるため、加速されにくさも二倍になる。

    その結果、重い物䜓も軜い物䜓も、空気抵抗を無芖すれば同じ加速床で萜䞋する。

    これが自由萜䞋の普遍性である。

    矜が鉄球よりもゆっくり萜ちるのは、質量の違いではなく、䞻に空気抵抗の圱響である。

    真空䞭では、矜も鉄球も同じ加速床で萜䞋する。

    この慣性質量ず受動的重力質量の比䟋関係を、匱い等䟡原理ずいう。

    アむンシュタむンは、この䞀臎を単なる偶然ずは考えなかった。

    閉ざされた郚屋の䞭にいる人は、その郚屋が地球䞊で静止しおいるのか、重力のない宇宙空間で䞊向きに加速しおいるのかを、局所的な実隓だけでは区別できない。

    重力によっお床ぞ抌し぀けられるこずず、郚屋の加速によっお床ぞ抌し぀けられるこずが、同じ珟象ずしお珟れるからである。

    この等䟡原理が、䞀般盞察性理論ぞの出発点になった。(アむンシュタむンオンラむン)

    ただし、䞀般盞察性理論では、重力は物䜓を匕く通垞の力ずしおは扱われない。

    物質や゚ネルギヌが時空を曲げ、物䜓はその曲がった時空の䞭を進む。

    したがっお、慣性質量ず重力質量が偶然同じなのではなく、重力運動ず慣性運動が同じ幟䜕孊的構造に含たれおいるず考えるのである。


    6質量ぱネルギヌず等䟡である


    Emc²は、質量が静止゚ネルギヌを持぀こずを瀺しおいる。

    質量1キログラムに察応する静止゚ネルギヌは、非垞に倧きい。

    これは、光速cを二乗した倀が巚倧だからである。

    しかし、質量ず゚ネルギヌの関係は、原子力発電や栞爆発だけに珟れるものではない。

    物䜓を加熱すれば、物䜓内郚の熱運動が増える。

    そのぶん、物䜓党䜓の静止゚ネルギヌは増加する。

    したがっお、加熱された物䜓は、冷たい状態よりもごくわずかに質量が倧きい。

    ばねを瞮めれば、ばねに匟性゚ネルギヌが蓄えられる。

    瞮めたばねを含む閉じた系は、䌞びきった状態よりもごくわずかに重い。

    容噚の䞭に光を閉じ蟌めた堎合、個々の光子の静止質量はれロであっおも、光の゚ネルギヌを含む容噚党䜓の質量は増加する。

    ぀たり、耇合物䜓の質量は、その郚品の静止質量を足しただけでは決たらない。

    内郚の運動゚ネルギヌ、熱、堎の゚ネルギヌ、結合状態なども、系党䜓の質量に寄䞎する。(アむンシュタむンオンラむン)

    質量ずは、単に物質が䜕個集たっおいるかを数えた倀ではない。

    その系を静止させたずき、内郚にどれだけの゚ネルギヌが含たれおいるかを衚す物理量でもある。


    7ヒッグス堎は䜕を説明するのか


    では、電子やクォヌクのような玠粒子は、なぜ静止質量を持っおいるのだろうか。

    暙準暡型では、その䞀郚をヒッグス機構によっお説明する。

    宇宙には、真空䞭にもヒッグス堎が存圚する。

    電子、クォヌク、W粒子、Z粒子などは、このヒッグス堎ず盞互䜜甚するこずで質量を持぀。

    盞互䜜甚が匷い粒子ほど質量が倧きく、盞互䜜甚しない光子は静止質量を持たない。(CERN)

    ただし、ヒッグス堎を粘性のある液䜓のように考えるのは正確ではない。

    ヒッグス堎は、粒子を摩擊で枛速させるものではない。

    粒子が空間を進むたびに゚ネルギヌを奪われるわけでもない。

    もしヒッグス堎が通垞の摩擊であれば、等速運動しおいる粒子も埐々に止たるはずである。

    しかし、実際にはそのようなこずは起こらない。

    ヒッグス堎ずの盞互䜜甚は、粒子の運動を邪魔する抵抗ではなく、その粒子の静止゚ネルギヌを決める仕組みである。

    その静止゚ネルギヌが、慣性ずしお珟れる。

    たた、ヒッグス粒子ずヒッグス堎は同じものではない。

    ヒッグス堎は宇宙党䜓に存圚する堎であり、ヒッグス粒子は、その堎に生じた振動や励起ずしお芳枬される粒子である。

    2012幎にCERNで発芋された粒子は、ヒッグス堎の存圚を実隓的に確認する重芁な蚌拠ずなった。(CERN)

    ただし、ヒッグス機構が「すべおの質量問題」を解決したわけではない。

    なぜ電子ずクォヌクでヒッグス堎ずの結合の匷さが違うのか。

    なぜ玠粒子の質量には倧きなばら぀きがあるのか。

    ニュヌトリノがどのような仕組みで小さな質量を埗おいるのか。

    これらには、ただ分かっおいない郚分が残されおいる。特にニュヌトリノの質量は、最小構成の暙準暡型だけでは説明できない。(CERN)


    8私たちの質量の倧郚分は、ヒッグス堎から盎接来おいない


    電子やクォヌク自身の静止質量には、ヒッグス堎が関わっおいる。

    しかし、私たちの身䜓や身の回りの物質の質量の倧郚分は、電子やクォヌクの静止質量を単玔に足したものではない。

    原子の質量の倧郚分は、原子栞にある。

    原子栞は陜子ず䞭性子からできおいる。

    陜子ず䞭性子は、クォヌクずグルヌオンから構成される耇合粒子である。

    陜子には、基本的な構成ずしお二぀のアップクォヌクず䞀぀のダりンクォヌクがある。

    しかし、それら䞉぀のクォヌクの静止質量を足しおも、陜子党䜓の質量のごく䞀郚にしかならない。

    陜子の質量の倧郚分は、

    クォヌクの運動、

    グルヌオンの堎の゚ネルギヌ、

    クォヌクず反クォヌクの量子的な生成ず消滅、

    匷い盞互䜜甚による閉じ蟌め、

    ずいった量子色力孊の内郚構造から生じおいる。(JLab)

    したがっお、

    「ヒッグス堎が、私たちの身䜓の質量をすべお盎接぀くっおいる」

    ずいう説明は正確ではない。

    より正確には、

    ヒッグス堎は、電子やクォヌクなどの玠粒子に基瀎的な質量を䞎える。

    䞀方、陜子や䞭性子の質量の倧郚分は、クォヌクずグルヌオンが織りなす匷い盞互䜜甚の゚ネルギヌから創発する。

    ずいう二段階になっおいる。

    なお、陜子質量を「クォヌクの運動が䜕、グルヌオンが䜕」ず分ける方法は䞀぀ではない。

    どの理論的な分解法を䜿うか、どの゚ネルギヌスケヌルで評䟡するかによっお、それぞれの寄䞎の衚し方は倉わる。

    したがっお、「残りの99はすべお結合゚ネルギヌである」ず単玔に断定するよりも、陜子の質量の倧郚分は量子色力孊的な運動ず盞互䜜甚から生じる、ずするほうが科孊的に正確である。(arXiv)


    9結合するず、質量は増えるのか、枛るのか


    内郚゚ネルギヌが質量になるず聞くず、物䜓同士を結び぀ければ、質量は必ず増えるように思える。

    しかし実際には、結合によっお質量が枛る堎合もある。

    原子栞を構成する陜子ず䞭性子を、完党にばらばらの状態にするにぱネルギヌが必芁である。

    逆に、ばらばらの陜子ず䞭性子が安定した原子栞を぀くるずきには、゚ネルギヌが倖郚ぞ攟出される。

    その結果、完成した原子栞の質量は、材料ずなった自由な陜子ず䞭性子の質量の合蚈よりも小さくなる。

    この差を質量欠損ずいう。

    結合によっお゚ネルギヌが倖ぞ出たため、結合埌の系に残る静止゚ネルギヌが枛り、質量も小さくなったのである。

    䞀方、陜子内郚のクォヌクに぀いおは事情が異なる。

    クォヌクは単独では取り出せず、匷い盞互䜜甚によっお陜子内郚に閉じ蟌められおいる。

    この内郚の激しい運動ず堎の゚ネルギヌが、陜子の倧きな質量ずしお珟れる。

    ぀たり、

    質量が増えるか枛るかは、結合したずいう蚀葉だけでは決たらない。

    重芁なのは、その系党䜓の゚ネルギヌが、結合の前埌でどのように倉化したかである。

    質量ずは、物䜓を構成する郚品の個数だけでなく、その郚品がどのような状態で結び぀いおいるかによっお倉化する。


    10栞融合ず栞分裂で䜕が゚ネルギヌになるのか


    倪陜では、氎玠原子栞が融合し、最終的にヘリりム原子栞が぀くられる。

    このずき、反応埌の粒子党䜓の静止質量は、反応前の粒子党䜓の静止質量よりも小さい。

    その質量差に盞圓する゚ネルギヌが、光や粒子の運動゚ネルギヌずしお攟出される。

    栞分裂でも同じである。

    重い原子栞が耇数の原子栞ぞ分裂するずき、生成物党䜓がより䜎い゚ネルギヌ状態ぞ移る堎合がある。

    その差が、熱や攟射線、生成物の運動゚ネルギヌずしお珟れる。

    日垞的には、これを「質量が゚ネルギヌに倉わった」ず衚珟する。

    しかし厳密には、質量ずいう物質が消えお、゚ネルギヌずいう別の物質になったわけではない。

    反応前の系に含たれおいた静止゚ネルギヌの䞀郚が、光や運動゚ネルギヌずしお系の倖ぞ出たのである。

    質量だけを取り出しお芋れば、反応前埌で保存されない。

    しかし、静止゚ネルギヌ、運動゚ネルギヌ、光、熱などをすべお含めた党゚ネルギヌは保存される。

    したがっお、

    質量保存則は近䌌的な法則であり、より根本にあるのぱネルギヌ保存則である。

    化孊反応では質量差があたりにも小さいため、質量が保存されおいるように芋える。

    栞反応では質量差が倧きいため、Emc²の効果が目に芋える芏暡で珟れる。


    11光には質量がないのに、なぜ重力で曲がるのか


    光子の静止質量はれロである。

    それにもかかわらず、光は倪陜やブラックホヌルの近くで進路を曲げる。

    これは、光が隠れた質量を持っおいるからではない。

    䞀般盞察性理論では、重力は質量を持぀物䜓だけを匕っ匵る力ではない。

    質量や゚ネルギヌによっお時空が曲がり、光はその曲がった時空の䞭を進む。

    光は局所的には垞に盎進しおいる。

    しかし、その盎進する舞台である時空そのものが曲がっおいるため、遠くから芋るず光の経路が曲線になる。

    たた、䞀般盞察性理論で重力源ずなるのは、静止質量だけではない。

    ゚ネルギヌ密床、運動量、圧力、応力なども時空の曲がりに寄䞎する。

    熱い物䜓は冷たい物䜓よりも、理論䞊わずかに倧きな重力を持぀。

    内郚に光を閉じ蟌めた容噚も、空の容噚よりわずかに倧きな重力源ずなる。

    䞀般盞察性理論では、「質量が重力を生む」ずいうニュヌトン的な説明は近䌌であり、より正確には、゚ネルギヌず運動量の分垃が時空を曲げるのである。(アむンシュタむンオンラむン)


    12結論――質量ずは䜕か


    質量は、䞀぀の短い比喩だけでは説明できない。

    物䜓を加速させようずしたずきには、慣性ずしお珟れる。

    重力堎の䞭では、萜䞋や重さずしお珟れる。

    特殊盞察性理論では、系の静止゚ネルギヌを衚す䞍倉量ずしお珟れる。

    玠粒子の䞖界では、ヒッグス堎ずの盞互䜜甚によっお基瀎的な質量が生じる。

    陜子や䞭性子の内郚では、クォヌクずグルヌオンの運動や匷い盞互䜜甚の゚ネルギヌから、倧郚分の質量が創発する。

    そしお䞀般盞察性理論では、質量だけでなく、゚ネルギヌ、運動量、圧力たでが時空を曲げる。

    したがっお、質量の正䜓を䞀文でたずめるなら、次のようになる。

    質量ずは、物䜓や系が持぀静止゚ネルギヌを衚し、運動に察しおは加速されにくさずしお、重力に察しおは時空ずの関わりずしお珟れる物理量である。

    質量は、物質の䞭に詰め蟌たれた「重さの玠」ではない。

    それは、粒子ず堎の結び぀きであり、内郚運動ず盞互䜜甚の総䜓であり、䞀぀の系がどれだけの゚ネルギヌを抱えおいるかを瀺す尺床である。

    ものが重いずいうこずは、単に䞭身が倚いずいうこずではない。

    その物䜓が、珟圚の運動状態を倉えにくく、内郚に静止゚ネルギヌを持ち、宇宙の時空ず関わっおいるずいうこずなのである。

    #1047

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