E=mc2とは|意味と使い道を1分動画付きで解説

E-mc2 自然科学
「E=mc2って何? E=mc2の式って何に使われるの? アインシュタインはどうやってE=mc2を考えたの? 無から有は生み出せるの? Dr.STONEの千空の服にE=mc2って書いてあったな…

こういった疑問に物理学修士の筆者が答えます。

結論

E=mc2とはアインシュタイン特殊相対性理論の結論の1つで、エネルギーと質量が等価であるということを表す式です。詳細は本記事にて解説します。
さらに特殊相対性理論について知りたい方は↓

本記事の内容

1.E=mc2とは

エネルギーと質量の等価式(E=mc2)

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E=mc2のE(energy)とはエネルギー、m(mass)は質量、c(celeritas)は光の速さを表しています。光の速さはめちゃめちゃ大きいので、少しの質量が膨大なエネルギーを持っていることがこの式からわかります
どのくらい大きなエネルギーかというと、1円玉(1g)の質量で、東京ドーム1杯分の20℃の水を40℃に沸かすくらいのエネルギーを持っています

2.E=mc2の用途

E=mc2の用途

質量からエネルギーを取り出す場合

例えば原爆と原子力発電の核分裂反応にE=mc2が使われています。さらに太陽の核融合反応にも使われます。ちなみに太陽はエネルギーを放出するために、1秒間に約50億kg軽くなっているのです。
また未来の技術として、核融合発電があります。これは太陽と同じで核融合反応を利用してエネルギーを取り出す方法で、原子力発電よりクリーンな発電なので注目されています。

核融合発電を行うにはローソン条件を満たさなくてはなりません。ローソン条件とは①プラズマの温度が約1億度②原子核の密度が100兆/cm3③プラズマの閉じ込められている時間が1秒以上と、現時点の技術ではクリアできないかなりハードルが高い条件となっています。

エネルギーから質量を取り出す場合

LHCの陽子衝突実験

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CERN(欧州原子核研究機構)のLHC(大型ハドロン衝突型加速器)という実験装置で、陽子同士を光の速度の0.999999%まで加速して衝突させるという実験がありました。
上写真のように、陽子はクウォークと呼ばれる素粒子からできていています。実験で陽子が衝突した直後、陽子に含まれていない素粒子が大量に飛び散ちるという現象が発生しました。これはエネルギーが質量に変わったことを表しているのです。

3.無から有は生み出せるか

結論から言うと、無から有は生み出せます。
量子力学で取り扱うようなミクロの世界は、現実では考えられないことが起きます。
例えば無の空間でも、一瞬のような短い時間であれば、エネルギーは色々な値を取ります。このような現象を「時間とエネルギーの不確定性関係」といい、下式で表せます。

時間とエネルギーの不確定性関係

ですから、無の空間から一瞬の時間で発生したエネルギーにより、粒子と反粒子と呼ばれる物質が誕生します。このことを対生成といいます。
その後すぐに粒子と反粒子は衝突して消滅し、エネルギーの塊が残ります。このことを対消滅といいます。

4.どのようにE=mc2を思いついたのか(玄人向け)

E=mc2の着想(止まっている部屋)

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上写真のようにA君がいて、A君の前に発光器がおいてあります。発光器は左右に光を放たれます。部屋が動いていようが止まっていようが、その中のA君から見れば光は真横に進むように見えます

E=mc2の着想(動いている部屋)

しかし、上写真のように部屋の外にいるBちゃんから見れば、部屋が動いていると光は真横に進むのではなく、斜め前に進むように見えます

E=mc2の着想(発行器にブレーキ)

光が前に放たれるということは、上写真のようにその反動で発光器に後ろ向きのブレーキがかかります。A君から見たら発光器にブレーキがかかるなんておかしいです。この矛盾を解決するために、アインシュタインは発光器が光を放出する代わりに質量が軽くなっている(質量とエネルギーは同じである)としました。すると質量が軽くなって動きやすくなっている分と、光を放出してブレーキがかかっている分が相殺されることで矛盾が解消されるのです。

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