アインシュタイン作「世界一有名な方程式」はここがスゴイ!

天才だけが気づいた謎のエネルギーの正体
竹内 薫 プロフィール

光速と質量のふしぎな関係

ここまでで、エネルギーE、質量mについて見てきた。最後に残った光速c について考えてみよう。

数値としては、c はだいたい毎秒30万キロメートル。1秒で地球を7周半してしまうのだから、実に速い。実際、宇宙には、光速より速く動くモノは存在しない。もっと正確にいうと、宇宙では、光速より速く「情報」が伝わることはない。

よくあるのが、「でも、宇宙は超光速で膨張しているではないですか?」という質問だ。

宇宙の制限速度が光速c だ、ということの意味は、背景にある空間に対しての速さだと考えていただきたい。ええと、空間が「動く歩道」だとしたら、その上を歩く人間の速さの上限が光速c なのだ(空間はモノではないので、あまりよい喩えではありませんが、あしからず)。

光速で動くモノは、もはやモノではないともいえる。なぜなら、質量がゼロだからだ。でも、エネルギーはあるので、存在はしている。質量がゼロの光は、まるでマグロのように、止まることができない。

どんなに質量が小さくても、質量がゼロでないかぎり、速度をゆるめて止まることが可能だが、質量がゼロだと、寿命の続くかぎり、光速で飛び続けなければならない。

で、アインシュタインの理論は、ある意味、光の理論であり、光速の理論なので、E=mc2に光速c が登場するのも、あたりまえといえばあたりまえなのだ。

【写真】質量が0のとき、物体は高速で飛び続けなければならない
  質量がゼロだと、寿命の続くかぎり、光速で飛び続けなければならない photo by gettyimages

光速c を1にしてしまう!?

最後に1つだけ付け加えておこう。

物理学者はさまざまな単位系を使う。標準的なメートル、キログラム、秒という単位系もあれば、小さいモノを扱うときには、センチメートル、グラム、秒を使うこともある。

アインシュタインの理論で計算するときには、光速c を1と置く「自然単位系」を使うことが多い。光速c は定数なので、それを1と置くことは理に適っている。で、この単位系では、だいたい、

c=30万キロメートル/秒=1

なので、

1秒=30万キロメートル

という等式がなりたつ。1ドルを100円に換算できるように、時間の1秒は長さの30万キロメートルに換算することができるわけだ。

以上、E=mc2の意味を物理学的に深掘りしてみたが、同じ数式でも、切り口によって、まったく違った解釈や見え方になることがある。

エネルギーってなんだろう? 質量の起源は?(ヒッグス? 重力場?) 仮に超光速のモノが存在したとして、それって観測できるの?(超光速粒子タキオン?)

公式だけいじっていても面白くないが、概念そのものについて考え始めると、物理学って実に奥が深いことがわかってくる。そんな思索好きのアナタに、E=mc2は、格好の遊び道具かもしれませんよ(ちなみにブルーバックスには、そのものずばり『E=mc2のからくり』なる1冊があって、世界一有名な物理学の方程式の奥深さを堪能できますぞ)。
〈註:自然単位系では通常、光速c の他に量子論に出てくるプランク定数(もしくはそれを2πで割ったもの)も1と置きます〉

  記事中で紹介された書籍はこちら 

E=mc2のからくり

【書影】E=mc2のからくり

著:山田 克哉