第4章 高校生が解くE=MC2
質量が増大する話の裏話に行く
5年ぶりにこの章を修正する。「質量とエネルギ-の等価性の初等的証明 総合偏」の結論『素粒子は基本的に熱エネルギ-を持たないから与えられたエネルギ-を質量の形で蓄えるしかないかもしれない』と言うことがどうも本当らしいと思えるから。そして無謀にもそれから核分裂を考えてみる。(^^)
目次
4−2)運動量
4−3)再度エネルギ−
4−4)それから ここからリニュ-アルです。(^^!)
a)運動量とエネルギ-の関係 V-P図
4−5)核分裂を考える
4−6) 検討
4−7)この章の終わりに
順番に読んでいただきたいのですが、各項目にジャンプも出来ます。
ちょっと一服
本当に諦めないで下さい
E=MC^2は強烈な魅力がある。これを認めないと近代科学は語れない。いったいどうすれば導けるのか一度は興味を持ったはずだ。我々が昔微分積分を習ったのは高校生の時だった。E=MC^2を知ったのも高校生の時だった。しかしながらE=MC^2を自分で解いたのはずっと後だった。解いてみて分かったのだがE=MC^2を導くには高校で習う程度の微分積分で充分であった。何と言うことだ。大学入試よりもやさしい(?)数学だったのだ。!さっそく始めたいが、その前にニュ−トン力学をおさらいしなければならない。なぜならE=MC^2はニュ−トン力学の上に成り立つからである。
4−1)エネルギ−って何だ? エネルギ−と宅配便の関係
宅配便の料金を決める原理は”重い物ほど,遠くなるほど高い”はずだ。つまり”重さ×距離”に比例した料金となる。そうすれば誰でも納得できる。実際にはかさばるものや割れ物、貴重品、鮮度が問題なもの等色々な要素が絡み合うからそう単純ではない。だが原理としては生きているはずだ。料金は原則として”重さ×距離”に比例しているはずだ。
エネルギ−も同じである。エネルギ−は重さでなく力である。重さは正確には重力と言う力だから”重さ×距離”に比例することはエネルギ−にも比例している。
数式的には E=FL E;ジュ-ル または エルグ
F;力 単位ニュ-トン またはダイン
L;距離 単位 mメ-トル または cm
これがエネルギ−の定義の原形である。エネルギ−は後に熱エネルギ−や原子力エネルギ−等面倒なものが参入するから混乱するが、少なくとも位置エネルギ−と運動エネルギ−はE=FLで完全に記述される。
知ってる知ってる位置エネルギ−はMghでF=Mg,h(高さ)=LだからE=FLなのだと言うならその通りだ。しかし,ここで終わりではない。この式にF=Mα α=dV/dtを組み合わせると運動エネルギ−が導ける。
E=FLを微分した形 dE=FdLとし F=M(dV/dt)を代入すると
dE=M(dL*dV/dt)=M(dL/dt)dV
dL/dt=Vであるから
=MVdV
よって dE=MVdVであるから両辺を積分して
∫dE=M∫VdV
左辺はE(エネルギ-)に右辺はMV^2/2+C C;積分常数となる。積分常数はV=0でE=0とおけばC=0となる。つまり運動エネルギ−MV^2/2を得たわけだ。
一方 運動量 P=MV もF=Mα α=dV/dtより 導かれる。
これはF=Mα α=dV/dtより Fdt=MdVだから両辺を積分して
F∫dt=M∫dV
左辺はFtに 右辺はMV+C C;積分常数 となり,V=0でFt=0とすれば
Ft=MV となる。この値が運動量Pである。つまりP=Ft=MV
ついでに運動量とエネルギ−の関係は
dE=MVdV と dP=MdV を組み合わせればdE=VdPとなるから
E=∫VdP
このチョット謎めいた解説は初等微分積分の概念をニュ−トン力学に100%応用しただけだが,この種の訓練は今の高校ではやられておるまい。ニュ−トンの力学は3個の法則「慣性の法則,加速の法則?,作用反作用の法則がある(中学生)」「位置エネルギ-はMGH,運動エネルギ-は(1/2)MV^2,運動量はMVである。(高校生)」とともかく暗記しておけば,ある高さから落とした物体の運動量,速度,エネルギ−は求まるから入試には間に合う。だから,式の間の意味はどうでも良い。ともかく高校生は忙しい。大学に入ってからよりも,入る前の方が勉強し頭を使う。頭の使い方は物事のすじみちを立てるよりもともかく暗記なのだ。
意地の悪い問題で答をエルグで求めれられば1ジュ-ル=10^7 エルグも覚えなければならないが1ジュ-ルは何エルグかは覚える必要はない。まさか 1m=100cm,1kg=1000gを忘れることはなかろう。だから1Kgの物が秒速1m/SECで運動しているとすれば
E=(1/2)MV2=(1/2)*1*1^2 ジュ-ル=(1/2)*1000*100^2=(1/2)*10^7 エルグ とピンとくる。
上の式を計算すれば 1ジュ-ル=10^7 エルグなのだ。
1ニュ-トン=10^5ダインも同様である。
重力定数g=9.8 m/SEC^2 で F=Mgなら 1Kgは
1*9.8 ニュ-トン=1,000*9.8*100 ダインだから 1ニュ-トン=10^5ダインになる。
ともかくちょっと頭を使えば暗記する項目が減る。減るだけでなく物理の面白さがわかってくる。式と式のつながりを考慮しながら式の意味を考える。何故こんな解りきったこと?を説明したかと言えば同じことからE=MC^2が導けるからなのだ。
4−2) 運動量
覚えているだろうか?第1章で<式M=M0/√(1−V^2/C^2)はF=Mαでは適用しても良い>と言ったことを?
この部分はαが小さい場合しか適用できません。もともと
F=Mαは F=M(dV/dt)であり Fdt=MdVであり、積分すれば P=Ft=MV となる。
と述べていたのですが 正しくは
F=MαはF=d(MV)/dtであり Fdt=d(MV)であり、積分すれば P=Ft=MV となる。
としなければならないわけです。 以下の文はそのまま.....OKでしょう。
何とF=MαからP=MV(=Ft)が何も引かないで何も足さないで導ける。ならば式M=M0/√(1−V^2/C^2)はP=MVでも適用しても良いことになるだろう。相対論の運動量はP=(M0/√(1−V^2/C^2))Vとなるのである。
4−3)再度エネルギ−
ニュ−トン力学と同じく相対論でもE=∫VdPが通用する。ニュ−トン力学ではP=M0VであるからE=M0∫VdV=(1/2)M0V^2になる。
相対論ではP=(M0/√(1−V^2/C^2))Vであるからちょっとやっかいである。こういう場合はP=M0(1-V^2/C^2)^(-1/2)VとしてdP/dVを計算しておく。
dP/dV=M0(-1/2)(1-V^2/C^2)^(-3/2)(-2V/C^2)V+M0((1-V^2/C^2)^(-1/2)
=M0(1-V^2/C^2)^(-3/2)
省略して書いているが使った式は微分の初歩 (f(x)*g(x))'=f(x)'g(x)+f(x)g(x)'とdZ/dx=(dZ/dY)*(dY/dx)でしかない。
よってdP=M0((1-V^2/C^2)^(-3/2)dVであるから
E=∫VdP=M0∫(1-V^2/C^2)^(-3/2)VdVとなる。
この解は下の式になるが逆に下の式を微分して確かめた方が早い。
E=M0C^2((1-V^2/C^2)^(-1/2)+C C;積分常数 となってしまう。
もう一息だ。使った式を吟味しよう。運動量はニュートン物理学の延長線にある。一方エネルギ−を出した式そのものE=∫VdPもニュートン物理学の延長線にある。と言うことは得られた結果 E=M0C^2((1-V^2/C^2)^(-1/2)+Cもニュートン物理学の延長線になければならず V=0の時E=0とならなければならない。
するとC=-M0C^2となりE=M0C^2(1-V^2/C^2)^(-1/2)-M0C^2 となる。
これで解けたわけだが今一つしっくり来ない。少し解釈してみよう。
M0(1-V^2/C^2)^(-1/2)=Mとし、順番を変えると MC^2=E+M0C^2となる。このうちMC^2は速度Vの物体の全エネルギ−である。Eは運動エネルギ−である。だからM0C^2は速度0の物体の全エネルギ−と解釈できる。ここまでは納得できる。そしてようやくM0C^2は速度0の物体のエネルギ−だと言える。E=M0C^2が見事に出てきた。
前回はココで「突然だが本文はここまでで終わりである。」となっていた。E=M0C^2が出てきたバンザイバンザイではこのレポ−トの名折れであるが、なにしろ言えることは質量M0の物体は静止状態でエネルギ−M0C^2を持っていると言うことだけだった!(^ヘ^|)
今回はここからリニュ-アルする。
4−4)それから
E=M0C^2で言えることは質量M0の物体は静止状態でエネルギ−M0C^2を持っていると言うことだけではなかった。計算で詰まれば図面がある!
a)運動量とエネルギ-の関係 V-P図

運動量はニュートン物理学の延長線にある。一方エネルギ−もニュートン物理学の延長線にある。それを具体的に表したのが上図である。質量はm0に統一して説明する。
純ニュ-トン力学(右)がもっとも分かり易い。P=mVだから V=(1/m)P つまりこの図の傾きは(1/m)である。図より E=(VP)/2 になるが P=m0V をかけ合わせれば E=(1/2)m0V^2 である。この姉妹偏は『質量とエネルギ-の等価性の初等的証明 総合偏』でそちらに応用について詳しく述べているのだが、粒子と粒子が衝突して合体する場合、純ニュ-トン力学では運動量保存の法則、エネルギ-保存の法則、質量保存の法則の基で、何がどう変化するのか理解するのに非常に便利である。
そしてハ-フ力学(?)、これは純ニュ-トン力学(右)、相対論力学の中間(ハ-フ?)であり、粒子と電磁波が衝突して合体する場合、純ニュ-トン力学では運動量保存の法則、エネルギ-保存の法則、質量保存の法則の基で、何がどう変化するのか理解するのに非常に便利である。
そして最後の相対論力学、これこそ粒子と電磁波が衝突して合体する場合、純ニュ-トン力学では運動量保存の法則、エネルギ-保存の法則の基で、何がどう変化するのか理解するのに非常に便利である。質量保存の法則が抜けていることに注意されたい。
同じ式を『質量とエネルギ-の等価性の初等的証明 総合偏』にも載せている。
紫の面積がm0C^2であることは図のように縦横を変換して
S=∫0CPdV P=m0V/√(1-V^2/C-2)
とおくことで計算できる。具体的にはV/C=sinθとすれば V=Csinθ dV=Ccosθdθより
S=∫0CPdV
=∫0Cm0V/√(1-V^2/C-2)dV
=∫02/πm0(Csinθ/cosθ)Ccosθdθ ;V=Csinθ dV=Ccosθdθ代入
= ∫02/πm0C^2sinθdθ
= m0C^2∫02/πsinθdθ=m0C^2 end
純ニュ-トン力学、ハ-フ力学(?)、相対論力学共運動量保存の法則、エネルギ-保存の法則の基で成立する。ただし純ニュ-トン力学、ハ-フ力学(?)のエネルギ-はこの章の4-1)で説明した運動エネルギ-である。相対論力学ではこれにm0C^2と言う言わば相対論的エネルギ-を追加する。この相対論的エネルギ-は運動エネルギ-と互換可能であると言うのが俗に言われる『質量はエネルギ-と等価である』と言う意味と思われる。これも『質量とエネルギ-の等価性の初等的証明 総合偏』にも載せているのだが電磁エネルギ-によって質量が増える場合を図示するとこうなる。

前回の論文で「解釈本では、これは科学の偉大な勝利であるバンザイ、バンザイ調も勿論あるが、ずばりE=M0C^2(1-V^2/C^2)^(-1/2)-M0C^2 を出した後で「エネルギーと質量は等価である」ことを注意深く掘り下げているものがある。それによるとこれはエネルギーが質量に転化すると言うことではなく、逆に質量がエネルギ-に転化することでもない。エネルギ-がある形態からほかの形態に変わるとき、それに応じた質量の変化が伴うだけのことだというわけである。」と言う意味がここではっきりする。
「ある物体にエネルギ-をどんどん与えれば、それに応じて質量が増えるし、エネルギ-を吸い取れば質量が減ることになる。」その通り、そしてここのエネルギ-とは運動エネルギ-のことである。熱エネルギ-や回転エネルギ-ではない。ゴキブリを煮ても焼いてもゴキブリの体重をエネルギ-に変えることは出来ない。ゴキブリはほっとするであろう。実験したわけではないが(^ヘ^)
4−5)核分裂を考える
核分裂の極めて簡単な説明の図は左のようなものである。ウラン原子に中性子をあてるとウランが分裂し、エネルギ−と共に二つから三つの中性子を出す。だから核分裂と言う。釈迦に説法、誰でも知っている、ごもっとも。 でもこの卵を割った後のような残骸、これは大体40種類ぐらいの放射性の核分裂生成物である。原子である。大体はベ−タ線かガンマ−線を出して安定した同位体になる。
核分裂の燃料であるウランは天然に存在するのだが、ほとんど99.7%はウラン238であり、燃料になるウラン235は0.3%弱しかない。これを燃料とするためには約3%まで濃縮しなければならない。多分核兵器としてはもっと濃縮する必要があろう。それで濃縮された燃料、これは勝手に中性子を活発に出す危険物である。あまりにも多く集めると勝手に核分裂の連鎖反応を起こして爆発する。核兵器はその辺を見極めて作られる。
連鎖反応を起こさない濃度と量のウランの塊を二つ用意する。塊の中では連鎖反応こそしないが核分裂は起こすのでかなり熱くなるハズだ!。それを火薬で一気にひとつにすると、核爆発が起きる。
それで、核分裂なにができるのか? けっこう複雑である。大量に発生した中性子の内、連鎖反応をしなかったものの一部はウラン238に吸収され半減期の長い放射性物質を作る。また一部ではあるがウラン238も燃えてエネルギ−を出す。結局燃料の約5%程度が燃えてエネルギ−を出した後、いまわしい核燃料廃棄物になる。燃える前の燃料の重さと燃えた後の燃料の重さを比べると燃えた後の方が少し軽い。そしてその重さの差に相当するエネルギ−を放出したからなのだとされている。
核分裂生成物質を40種類も扱うのは無理だから、同じ物質がふたつ出来るとして図示してみる。

質量Mのウラン原子核に中性子が飛びこんで核分裂を起こす。中性子はエネルギ-を考える上でとりあえず無視する。核分裂で出来た質量mの粒子はじっとしてはおるまいから速度vで飛び散るとする。それを相対論的V-P図で表すと上の図になり
MC^2=2mC^2+2E+E(電磁波)
の関係になる。ここに核分裂が見事に解けた(?)ことになる。要するに M>2m であり、差額が質量mが持つ運動エネルギ-(水色)と電磁波エネルギ-(黄色)である。相対論的V-P図は核分裂の関係を表わしている。
ここでは質量保存の法則が抜けて相対論的エネルギ-と運動エネルギ-を合わせたものでエネルギ-保存の法則を拡張して収めている。ここで熱エネルギ-は登場しない。
このまま信ずるのも良いだろうが少々疑問を持つかもしれない。大体核分裂に熱エネルギ-がないのは妙だ。それに E=MC^2 の意味付けも変わってくる。さらにこれは運動量保存の法則が成り立っているのか? 検討をする必要があるだろう。
4−6) 検討
まず、図の意味から入る。質量Mのウラン原子核が質量mの分裂生成物に分かれて各々+v、-vで飛び散る。速度、運動量はベクトルだから合成すれば0になる。とりあえずは(電磁波を除いて)運動量保存の法則が成り立っている。だから反応後のV-P図を上図にしたいのだが、そうすると質量mの物体が速度0の時全エネルギ-は2m0C^2となってしまう。このV-P図のヒラキ(?)は純ニュ-トン力学やハ-フ力学では成り立つ。
だが相対論的力学にこのV-P図のヒラキ(?)を無理に使おうとするとかなり不自然な注意書きが要る。V-P図はアジのようにヒラキにしてはまずくなる。3次元空間を考える場合でもここのvは v=√(vx^2+vy^2+vz^2) としてすなわち v>=0 の条件下で扱わなければならない。あくまで
質量mの全エネルギ-=E(運動エネルギ-)+m0C^2
なのである。 どちらかというと E=mC^2 と言う表現は正確さを欠くようだ。
普通 E=mC^2 と言えば『質量とエネルギ-は等価だ』と言い張る根拠なのだが、狭く考えれば
質量m、速度0の物質の全エネルギ-=m0C^2
である。また
質量mの全エネルギ-=mC^2=E(運動エネルギ-)+m0C^2
の左半分 質量mの全エネルギ-=mC^2 とも解釈できる。この辺をチャンと解説した本はまだ見たことがない。もちろんこのレポ-トでは第2の解釈
質量mの全エネルギ-=E(運動エネルギ-)+m0C^2
なのである。
相対論的V-P図ではエネルギ-として相対論的エネルギ-と運動エネルギ-しか考えてない。それで核分裂を説明すると核分裂では熱エネルギ-が出ないとなるのだが実際には大いに出る。出なければ原子力発電は出来ない。原子力発電は核分裂で発生する熱を利用して蒸気を作りタ-ビンを回転させるのだ。
これは理論の良いトコ取り、都合の良い部分をつなぎ合わせれば何とか解釈できる。(^^)
核分裂生成物質はすぐに水の分子に衝突し水の分子を撹乱させる。同時に発生する電磁波も水の分子を揺らす。よって水分子の集団である水は各分子がバラバラに撹乱され熱エネルギ-を得る。この辺は単なるニュ-トン力学及びその延長の熱力学でカタがつく。
では核分裂そのものは何故熱エネルギ-を持ち得ない? これは多分 ウランの核が熱エネルギ-を受けつけない状態、陽子と中性子が超満員電車のようにギンギンに詰まっているためこれ以上あらゆる形のエネルギ-を受け付けられない状態にあるのではなかろうか? 同じ状態が素粒子である..と言うよりウランの核は順素粒子状態(?)なのであろう。
この辺は『質量とエネルギ-の等価性の初等的証明 総合偏』で解釈を試みている。
要するに核分裂の瞬間は熱エネルギ-を考えなくともよいだけの話である。
純ニュ-トン力学、ハ-フ力学(?)、相対論力学全てに共通するのは運動量保存の法則である。これも『質量とエネルギ-の等価性の初等的証明 総合偏』で述べたが物体が合体する時、合体後の運動エネルギ-を決めるのは合体前の運動量であり、運動量保存の法則とエネルギ-保存の法則と質量保存の法則を満足させるようにするならどうしても運動エネルギ-以外のエネルギ-(熱、回転、その他)が発生する。エネルギ-問題は質量保存の法則を拡張したエネルギ-保存の法則に組み入れれば良いが、運動量保存の法則はそうはいかない。運動量保存の法則は以外と簡単にニュ-トン力学からの延長線で考えることが出来る。
運動量P(=MV)はF=Mαを時間で積分すると出て来る。
F=Mα=M(dV/dt)
∫Fdt=∫MdV=MV=P
この左辺 ∫Fdt は力積と言うタレントみたいな名前が付けられている。その他に撃力と言うこともある。たしかインパクトと言うこともあるのだが感覚的にはパンチとでも呼びたい。
一方作用・反作用はマンガのようなイメ-ジである。これは方向が逆の力積∫Fdtが同時に発生したと見なせる。力積の対発生である。対発生であるから合計すれば0である。当然連動する運動量も合計すれば0である。
よって最初の運動量をP0と設定できれば、そしてその後、衝突による物質の集散が繰り返されるなら衝突による物質の集散による運動量は
P0+(P1−P1)+(P2−P2)+(P3−P3)+(P4−P4)+......
となるわけだが、この対発生する運動量はいくらあろうと合計すれば0になる。よって反応が終った時点で結局もとの運動量P0は変わらない。これが運動量保存の法則である。
この運動量保存の法則はニュ-トン力学でも相対性理論の力学でも崩れない。
実際の核分裂で開放されるエネルギ-は核の中に存在する陽子同士の反発力だろう。その反発力は生成物質に対して対発生の力積となって作用する。よって核分裂でも運動量保存の法則が成り立っていると考えるべきだろう。
4−7)この章の終わりに
5年前、この「高校生が解くE=MC^2」を立ち上げた時、E=MC^2 を導き出したのは良いがすぐに大きな疑問に突き当たってしまった。MC^2はニュ-トン力学の拡張で出て来る積分の積分常数をこれまたニュ-トン力学の初期条件で決定した結果出てきただけである。これでは現実に実在する核分裂や核融合をどう解釈するのか見当もつかなかった。
これに風穴をあけたのが左の図であり『質量とエネルギ-の等価性の初等的証明』の解釈である『質量とエネルギ-の等価性の初等的証明 総合偏』だった。もっとも最初は『質量とエネルギ-の等価性の初等的証明』はアインシュタインの大失敗と思っていた。
それにしても『質量とエネルギ-の等価性の初等的証明』は意地が悪い(^^)
ウッカリすると数式が簡単なため分かった気になる。だが本当に分かったのかは別だろう。これはE=MC^2の出発点ではなく応用偏に位置付けたい。実際ここまでアレコレ書けるとは思わなかった。
どうもエネルギ-を狭い空間に圧縮すると物質化するらしい。素粒子の衝突実験は素粒子をエネルギ-のキャリア(運び手)にして衝突地点の近傍(狭い空間)に高エネルギ-状態を作り、何が生まれるか調べることである。
それで思い出すのが電子の古典半径! 要するに電子が大きさのない点とするならこれまた狭い空間に無限大のエネルギ-が存在することになり、その結果大き過ぎず小さ過ぎずの範囲で...否充分気が狂うほど小さいのだが....電子の古典半径が決まり、電子が物質(素粒子)となる。まぁこれも再度見直しだが.....エネルギ-が電子の内側ではなくて外側にあるのだコイツ(電子)は!!
現実はまだ核融合は手も足も出ない。それと前回からの宿題、質量がエネルギ−に変わるのであれば核分裂でも核融合でも欠損質量は慣性質量であり重力質量であるのかはまだ決着していない。
だれか分かる人はおりませんか?