質量とエネルギーの等価性 Ⅳ

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無理やり納得したつもりになって

時空間での長さ(距離)は時空図の原点からの長さで

(ここでも光の速度が一定というのが決め手だね)

違う慣性系の間でも通用する距離

ってものがはじき出せた

(ローレンツ変換をしても変わらない量ってことで不変量って呼ぶらしい)

これはなんとなく

納得できるようなものだったね

時間についてはそれぞれの慣性系によってその慣性系における

時間ってものが在るってことも納得できそう

(固有時って言うんだね 記号はτ)

少しわかりにくくなるのが速度

ぼくたちが普通に速度を算出するには

距離÷時間で計算する

もっともこれは簡易計算方法

とにかく速度が一定で方向も変わらないという

特別な場合の計算だね

実際に速度を出すのには瞬間の時間に動いた微小変化を

(微小って意味でΔを頭に付けるそうだよ ΔtとかΔxみたいに)

微分することで求められるそうなんだ

特殊相対論では各慣性系ごとに

固有時と呼ばれる独自の時間が流れているってことを認めている

だから速度(距離÷時間)の不変量を求めるためには

時間の不変量を求めるという難しい問題があったわけだ

ただ 速度を微小時間に動いた

微小変化を微分して求めるという計算方法だと 

例のw2-x2-y2-z2という不変量を使って

xyz(空間距離)だけじゃなくて

wも微小時間の微小変化を微分すれば

不変速度が算出されるってことが計算されちゃったんだ

この辺りになると

すこし首を傾げながらの納得 ってところかな

自分で書きながら 腑に落ちたとは言えないところが

辛いところだね

さあ E=mc2

なんとか不変速度が出来たってことにしよう

τ2=w2-x2 ってやつだね

もうひとつ 質量(m)はどの慣性系でも同じという

前提も付け加えておこう

どうやら 特殊相対性原理のどの慣性系でも

物理法則は同じってところから来ているみたいだけど

そこで出てくるのが運動量の不変量

四苦八苦しながら書いていた前項の

Pyc=mc2√1+Px2/(mc)2  =E  という式

分かりにくいからPyc をとっちゃって

E= mc2√1+Px2/(mc)2 と書いてみよう

この数式の中でPxというのは空間(三次元方向)の運動量だね

もし ある物体が静止していたらどうなるのだろう

静止という言い方はおかしいかな 

運動量0だったら……

これもおかしいな

イメージとして止まっている

それでいいのかもね

その時は数式として 

E=√1+02/(mc)2 ってものになる

簡単に書けば E=mc2  

やっとこの式にたどり着いたわけだ

E=mc2 ってどういう意味?

E=mc2

エネルギーは質量×光速の二乗

日本語で書くとそういうことになるね

もっとも これは静止系とみなしている慣性系の中で

(ぼくたちが地球上で暮らしているみたいなものかな)

三次元方向に静止している物体の話だけど

だけど言葉遊びならぬ数字遊びで出て来た結論は

静止している物体にも運動エネルギーがある

そういうことになっちゃったわけだ

ぼくみたいな素人が納得しようとすると

エネルギー(運動)全体の量は

空間方面の運動と時間方面の運動を足したもの 

ってことのなるのかも

ともかくモノ(物体)は

止まっていようとエネルギーを持っている

言い換えれば 

物体はそこに在るだけでエネルギーを持っている

そういうことみたいだね

どうやら今度は 言葉遊びになっちゃうのかも

エネルギーっていうのはなんだ?

質量っていうのはなんだ?

どうもぼくはそのあたりが

理解できていないみたいだね

ひとまずはE=mc2 

正確に言えばE= mc2√1+Px2/(mc)2 

エネルギー(運動)は質量と空間における

運動エネルギーによって算出される 

ということで良しとしておこう

となると 困ったことが起きるんだ

前にも書いたと思うけど ぼくが学生の時代は

「質量保存の法則」「エネルギー保存の法則」という

二つの保存則が教えられていたんだよ

エネルギー保存則のほうはエネルギーってものの概念が

もう一つはっきりしないからいったん保留して

質量保存則ってあまりにも当然のような気がしない?

そこにあるものが形が変わっても同じ質量

これって 当たり前だと思うんだけど

たとえば水が蒸気になったり 氷になっても

その時点での形態変化はあるけど質量としては同じ

そう考えるのが当たり前じゃないかな

水を容器に閉じ込めて熱を加えて蒸気にすると

たしかにその時は液体から気体に変わるけど

冷えてくれば同じだけの水(液体)に戻るよね

氷だってそう

液体から個体に変わるけど 

溶けちゃえば同じだけの水に戻るはず

これをエネルギーで考えると

熱エネルギーが水の形態変化を促すけど

そのエネルギーが放出されると形態が元通りになる

ということだよね

では 質量がエネルギーの一つの形態だということになると

質量保存則はどうなるんだろう

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