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)]
となる。非相対論的な計算では分母の
は表れない。実験によって支持される
のはもちろん相対論的な計算であり、荷電粒子を磁場中で加速する(サイクロトロンなど)実験装置ではこのいわゆる「質量増大」の効果を考えて設計せねばな
らない。
逆に、運動方向と加速度が同じ方向を向いていると、また話が少し変わる。この場合、viも[(dvi)/dt]
もx成分だけが零でないとすると、
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]を
「横質量」として区別する場合もある。縦質量の方が横質量より大きいのは、横方向に押す場合はvの大きさは変化しない(つまり運動量の分母は変化しない)
が、縦方向に押すとvの大きさを変える(運動量の分母も変える)のに余分な力が必要になるからである。このように、「質量が増大する」という考え方は、
「質量」と「速度」の両方が時間的に変化すると考える分だけ、計算がかえって複雑になる場合もあり、あまり推奨されない。質量は常にmで一定だと考えて、
運動量の式には分母に
があるのだとした方が簡便である。どちらの流儀で
も、「相対論では運動量がmvではなくmvγになる」ということを把握しておけば問題はない。mの部分を「質量」と呼ぶか、mγの部分を「質量」と呼ぶか
は定義の問題である。ただし、上に述べたようにμγを「質量(または相対論的質量)」と呼ぶ流儀はかえってややこしくなることも多いので、最近はあまり使
われていないので、使わないようにした方がよさそうである。
ここで、fμが有限で時間経過も有限である限り、Pμは有限の値を取ることに注意しよう。速度を増やして
いくと、v=cとなったところでPμは無限大となる。ゆえに、有限の力で有限の時間加速している限り、光速に達することはない。こ
のことは光速cが物体の限界速度であることを示している。
ニュートン力学においては、運動量の保存則がどのように導かれたかを思い出そう。質量mi(i=1,2,…,
N)のN個の物体が
それぞれ→piの運動量をもち、i番目の物体からj番目の物体へは
力→fijが働くとすると、
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なお、相対論では運動量とエネルギーは同
じ4元運動量の空間成分と時間成分という形にまとまっているので、運動量だけが保存してエネルギーが保存しないと
か、あるいはこの逆のことなどはあり得ない。違う座標系に移れば時間成分と空間成分は入り交じる(たとえば、P′0=γ(P0−βP1)
というふうに)ので、全ての座標系で運動量保存則が成立するためには、エネルギーも保存していてくれないと困るのである。これは相対性原理からの帰結であ
る。ニュートン力学では「摩擦があるからエネルギーが保存しない」という状況が許されたが、相対論的力学では摩擦によって失われたエネルギーもちゃんと勘
定して保存する形になっていなくてはいけない。
上では作用・反作用の法則が成立ということを仮定したが、相対論の場合にはこの仮定にも注意が必要である。なぜなら、相対論では空間的に離れた場所での
同
時刻には意味がない。上の図では、離れた物体との間で力が「同時に」働いているかのごとく書いているが、実際にはそんなことは起きない(そもそも、力も光
速より速く伝わるはずがない!)。したがって厳密には、作用・反作用の法則を単純に適用してよいのは、物体と物体が接触して(同一時空点に存在して)力を
及ぼす場合である。クーロン力を「二つの電荷の押し合い(引き合い)」と考える場合、作用反作用の法則が成立しているとは限らない。ただし、クーロン力を
「電荷と、その場所の電磁場との相互作用による力」と考えるならば、ちゃんと作用・反作用が成立するのだが、その場合は「電磁場の持つ運動量」を計算して
やらなくてはいけない。
まずは物体が接触して衝突するという単純な問題の場合で相対論的な場合と非相対論的な場合にどのような差があるかを確認しておこう。

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で定義されるところの質量(つまり速度や座標系によらずに定義される質量)である。物体が静止している場合はp=0となっ
てE=mc2と
なる。エネルギーの負符号は許さない。許してしまうとエネルギーE=−√[(p2c2 + m2
c4)]はpが大きくなることによっていくらでも(−∞まで)小さくなれる。「物体はエネルギーの低い方に行きたがる」という原則
からすると全ての物体がみなE=−∞へと落ち込みたがって具合いが悪い。エネルギーには底がないといけないのである(図参照)。
すでに述べたように、エネルギーは「運動量の時間成分×c」であり、物体が静止している場合でもmc2だけあることになる。cが3
×108[m/s]であるから、これは非常に大きなエネルギーである(1gの質量は、9×1013[J]、
すなわち90兆ジュールのエネルギーに対応することになる)。
しかし、たとえエネルギーがmc2
だといっても、これよりも低いエネルギーの状態がないのなら、これには意味がない。エネルギーを取り出すには、状態をエネルギーのより低い状態に「落す」
ことによってその差をもらいうける必要があるが、このエネルギーは最小値がmc2であるから、このエネルギーを取り出す方法がな
い。取り出せないエネルギーはいくら大きくとも意味がない。

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]は1より大きいから、衝突後の質
量は2mより大きくなっていることになる。
こうなることが相対論的に考えれば必然であることを確認しよう。相対性原理により、同じ現象を、速度−→v
を持って運動している観測者が見たとしても同じことが結論できねばならない。この時、速度の合成則を使わねばならないので、速度−→vで動きながら速度→vの物体を見
た時の速度は、2vではなく、[2v/(1+[(v2)/(c2)])]であることに注意せよ。この速度に
対応するγは、
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]=Mと書くと、
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このことは以下のように考えることができる。そもそも質量はm2 c4
= E2
− p2 c2という式を満たしている。2個の粒子のエネルギーを足す時、Eは常に正であるから、純粋に足
し算される。ところが運動量を足す時は、この二つがベクトルであるため、運良く同じ方向を向いていた場合以外は、単純な和よりも小さくなる。たとえば(E1,→p1)というエネルギー、運動量を持った粒子と(E2,→p2)というエネルギー、運動量を持った粒子二つをひとまとめに考えると、
全エネルギーはE1+E2であり、全運動量は→p1+→p2であって、この大きさは|→p1|+|→p2|
より大きくなることはない(たいてい、より小さい)。つまり合体の結果、より「時間成分が多い」ベクトルができあがる。これが質量を単純な和よりも大きく
するのである。
相対論的に考えれば、かならずある座標系で見れば→p1+→p2=0となる。そうなってもE1+E2は
もちろん0ではなく、しかもこの大きさはm1c2+ m2 c2よ
り大きくなることがすぐにわかる。
左図のような4元ベクトルの足し算では、和の結果は元のベクトルを単純に足したものより長い(4次元的意味で、長い)ベクトルになるのである。
アインシュタイン自身は1905年の論文で以下のようにして質量とエネルギーが等価であることを導いている。今、静止した、質量Mの物体が反対向きに2個
の光を出す。光のエネルギーが一個あたりEだとすると、物体のエネルギーは2E減るはずである。しかし、逆向きに飛び出したのであるから、物体の運動量は
変化せず、今も止まっているはずである。これを、物体が速度V
で動いて見える座標系から見たとする。Vの方向は光の飛び出した方向と同じだったとする(註:アインシュタインは角度θの方向に飛び出すとして一般的に解
いている)。光はエネルギーEと運動量の大きさpの間にE=pcの関係があるので、物体の静止系ではエネルギーEで運動量±E/cである。運動している系
では、これをローレンツ変換した量となる。表にまとめると、
であり、この式を見ても、放射後の物体がM−2E/c2の質量を持った物体として振る舞うことがわかる。なお、アインシュタインが この式を導いた時、光のエネルギーと運動量が運動系でどのようになるのかはローレンツ変換によってではなく、電磁気の法則から導いている。アインシュタイ ンはこのような考察から、どんな形であれエネルギーが放射されるとその物体の質量はE/c2だけ減少するであろうと結論した。 同様に、熱も質量に貢献する。熱が移動するということはミクロにみれば分子の運動エネルギーが増すということである。N個の粒子からなる系があるとして、 書く粒子が4元速度PIμを持っている(Iは粒子を区別する添字とする)とすると、全体としては��I PμIの4元運動量を持つことになる。このN個の粒子が箱に閉じ込められた気体だとして、箱の静止系で見れ ば運動量の和��I PiI=0となる(全体として気体が動いてないのだから)。しか し��I P0Iはもちろん0ではなく、単なる静止エネルギーの和��I mI c2より大きくなる(P0I = [mc/
静止系 運動系
エネルギー 運動量 エネルギー 運動量 物体 Mc2 0 Mc2γ MVγ 光1 E E/c γ(E−VE/c) γ(E/c−VE/c2) 光2 E −E/c γ(E+VE/c) γ(−E/c−VE/c2) 放射後の物体 Mc2−2E 0 (Mc2−2E)γ (M−2E/c2)Vγ
])。つまり、箱に入った気体のよう
に、個々の構成粒子は運動しているが全体としては静止しているような物体の質量は、その運動エネルギーに対応する分
だけ、大きくなるのである。
電子を加速するためには、その力の分だけ余計な力が必要になる。これがあたかも「電子の周りの電磁場も質量を持っている」かのように作用するのである。ポ
アンカレやローレンツの計算により、この質量は電磁場のエネルギーに比例し、かつ[m/
]
と同じ速度依存性を持つことも計算されていたのである。
もちろんこれだけでは、電磁的なエネルギーを起源とする質量以外に対しても同じ式が成立するかどうかは、実験してみないとわからない。ただ、ローレンツ変
換に対する不変性を考えると、そうであることがもっともらしい(相対論的には自然な結論である)ということが言えるのみである。幸いにも、実験はそれを支
持している。
たとえばヘリウム42He(2つの陽子、2つの中性子、2つの電子からなる)の質量は
4.0026032497u(原子質量単位)であって、重水素(1つの陽子、1つの中性子、1つの電子よりなる)の質量2.01410177779uの2
倍より少し軽い。そもそも原子質量単位は126C の質量を12uとして定義されているが、水素11H
の質量は1.0078250319uである。このように原子は構成要素である陽子や中性子の質量の和を取ったものよりも軽くなる。これを質量欠損と呼び、
その原因は原子が作られる時に、γ線などのさまざまな形でエネルギーが放出されることである。鉄など、周期表で真ん中あたりにある元素は質量欠損の割合が
もっとも大きく、その分安定であり、ウランなどを核分裂させるとエネルギーが得られる理由はこれである。
∂/∂t、p= -i
∂/∂xとやるんですよ。