質量と重力

category: 第四章 宇宙  

重力 “重力”.ウィキペディア日本語版. 2014-10-22. (参照 2014-11-19).
(概説などは省略)
歴史  重力や重さに関する議論というのは、古代ギリシャのしかも初期の段階から
行われていた形跡があるという。影響力の大きかったのはアリストテレスである。
彼は『自然学』を著し、物の運動等についても体系的に論じた。
彼の宇宙観では、天界と地上はまったく別世界であり、天体はエーテルでできていて、
地上の物体は四大元素でできていると見なした。そして《重さ》と《軽さ》というのは、
地上界にある物体に特有の一対の内在的な性質だと見なした。
古代ギリシャでは、コスモス(世界、宇宙)の中心に地球があると考えられていたので、
アリストテレスもそう考えていた(地球中心説)。アリストテレスにとって、物の落下するということは
コスモスの中心へ接近することであり、上昇するということはコスモスの中心から離れてゆくこと
を意味した。《火元素》を含むものが《軽さ》を内在しており、地中から離れ天へと向かいたがり、
石などには《土元素》が含まれており、《土元素》はコスモスの中心に帰りたがる性質を持っているのだ、
とした。その《土元素》をより多く含んでいるものが、より大きな《重さ》を内在している、とした。
またその速さについては、《土元素》を多く含むものが速く落ちる、とした。
ヨーロッパ中世の人々は、以下のように考えていた。
地リスや鳥などの生き物がそれぞれ巣穴や巣という本来の位置を持っていて一時的に理由が
あってそこを離れることがあっても結局本来の位置に帰るように、物も、それぞれの性質に応じて
本来の位置を持っている。たとえば小石はその本来の位置を地に持っている。
焔はその本来の位置を天上に持っている。
例えば、小石を空中に投げれば、小石は本来の位置から離されることになり、小石は一旦は抵抗を
示しながら上に上がるが、結局はできるだけ速やかに、その本来の位置である地に戻ってこようとする。
(太陽中心説というのは一応アリスタルコスも唱えていたとされるが)16世紀にヨーロッパで
コペルニクス(1473 - 1543)によって太陽中心説が唱えられると、(それがすぐに受け入れられたわけ
ではないが)もしこれを受け入れた場合、アリストテレス的な《重さ》《軽さ》の概念は根底から
考え直さざるを得ない、ということになった。
コペルニクスは、重力というのは、各天体の部分部分が球形になりたがり一体化しようとする
自然的な欲求だ、とした。一方《軽さ》というのは、重さの少ない物体が持つ“偶有的性質”だとされた。

中世宇宙観
ペトルス・アピアヌス(Petrus Apianus)の
Cosmographia (アントワープ、 1539年刊)
に描かれた中世のコスモス像。
アリストテレスの宇宙観の延長上にある。










MKS単位系の後継として国際的に決められている単位系はSI単位と呼ばれていて、
基本単位として、時間、長さ、質量、電流、熱力学温度、物質量、光度の7つが定められています。
それ以外の単位は基本単位を組み合わせることで定義することが可能です。
基本単位のうち、日常的に用いられるものとして、時間、長さ、質量、電流、温度があります。
時間は秒(s)、長さはメートル(m)、質量はキログラム(kg)、電流はアンペア(A)、
温度はケルビン(K)を用います。日常生活でケルビンは聞いたことがないと思いますが、
ケルビンで示された温度から273.15を引けば、℃で示される温度になります。
ちなみに、絶対零度は0K(-273.15℃)です。絶対零度が0℃ですと、
何が絶対なのか意味不明になります。
さて、さらに基本的なお話ですが、質量と重さは違います。
ただ、日常生活では違いを意識することはないと思いますが・・・重量という言葉もありますが、
これは曖昧な表現です。重力は物体が引き合う力であり、重さは物体にかかる重力の大きさを
意味しており、重さの単位は、力の単位であるニュートン(N)で示されます。1kgの物体の重さは、
9.8Nです。Nは基本単位ではなく、1kgの質量を持つ物体に1m/sの加速度を生じさせる力
であると定義することができますので、Nはkg、m、sを用いれば表記できるということです。
質量と重さの違いを理解するためによく言われるのが、「月の引力は弱いので、月に行くと重さが
地球上の6分の1なる」という説明です。質量は物体固有の値ですが、重さはどこの星にいるかによって
変わります。万有引力は距離の2乗に反比例しますので、高度が上がれば重力は小さくなりますが、
地上でも、場所によって重力に違いがあります(遠心力の影響があります)。

重力は何なのでしょうか?古代の重さに関する考えには、勿論、誤りもあるのですが、
単にバカにすればいいというものでもありません。物体の本来の位置を地球の中心とすれば、
地球上にあるものは本来の位置に戻ろうとしているのであり、重力を本来の位置に戻ろうとする力
であると考えることも可能です。本来の位置に戻りたくてしかたない物体は「重たい」ということです。
この考えの素晴らしいところは、「好きだと近づきたくなり、嫌いだと逃げたくなる」などで説明される
ような斥力を排除しているところです。しかし、陰陽的な見方をすれば、
重力には陰はあるけど陽はないといっているようなものであり、
重力に引力はあるけど斥力はないという背景には、何かが隠されているはずです。
このようなことも含めて、現在でも重力の本質は解明できていないのです。
ですから、重力の本質に関して言えば、理解のレベルは今も昔も同じようなものです。

では、質量とは何なのでしょうか?まず、質量は物体の動きにくさ(あるいは止まりにくさ)を表す
値です。光は、初期速度が光速であり、いつになっても光速のまま進むので、質量は0です
(つまり止まりやすさがない)。この機構について説明するために導入されたのがヒッグス粒子です。
質量を持った物体は、ヒッグス粒子によってもたらされたヒッグス場により抵抗を受けて速度を
落とすことになります。一方、質量は、重力を生み出します。こちらについては、ヒッグス粒子は
関係ありません。質量により重力が生み出される機構は重力子という素粒子の交換によるもの
であると考えられていますが、重力子はいまだ発見されていません。
質量には、物体の動きにくさと重力を生み出すという、全く異なる2つの側面があるのです。
実はもうひとつあります。アインシュタインの言った、E=mcです。
質量はエネルギーなのです。
2H+O→2HOという化学反応では、水ができるとき熱が出ます。
つまり、水素分子2個と酸素分子の質量の和より、水分子2個の質量は小さいのです!
ごくわずかなので、通常は同じとみなせばいいのですが、ごくわずかでも
水の質量のほうが小さい分だけ(体積変化の影響を無視)、熱が生まれているのです。

ヒッグス粒子については、実験により質量が約126GeVであるとされています。
eVは、自由空間内で電子一つが1Vの電圧で加速されるときのエネルギーですが、
粒子はエネルギーに比例した質量を持っているということになるので、粒子の質量の単位
として用いることが可能です。Gはギガと読み、✕10を意味します。
陽子の質量は約1GeVですから、ヒッグス粒子はとても質量の大きな粒子なのです。

さらに、質量の大きな粒子がトップクォークです。
トップクォークの質量は約170GeVと言われていますから、なんと
トップクォークは陽子約170個分の質量を持っているのです。
こんなの素粒子であるはずがない!と思いませんか?
原子番号79番の「金」は、陽子が79個、中性子は通常118個あります。
陽子と中性子は似たような質量(電子は無視できる)ですから、トップクォークは金原子並です。
これでも、大きさがなく点であるというのでしょうか?
ちょっと基本理論を考え直したほうがいいのではないでしょうか?

『宇宙はなぜこのような宇宙なのか』
それは、わたしたちがこの宇宙に存在するためには、わたしたちの宇宙は今のような宇宙
でなければならないからだ。物理を専門とする人がこのような主張をするのですから、
アリストテレスの時代に考えられていた、宇宙の中心に地球があるという考えかたも、
頭ごなしに否定するものでもないのではないでしょうか?


大きな質量の素粒子図:物質を作る粒子(レプトン:e、νe、μ、
νμ、τ、ντ、クォーク:u、d、c、s、t、b)、
力を媒介する粒子(Wボゾン、Zボゾン)、最近
発見されたヒッグス粒子の質量の大きさを高さで
表すグラフ。 トップクォーク(tで表示)は、他の
クォーク・レプトンに比べ極端に重く、Wボゾン、
Zボゾン、ヒッグス粒子と同じくらいの質量。

<出典>素粒子宇宙起源研究機構 トップクォークの質量、ヒッグス粒子の質量(2014年3月)

宇宙はなぜこのような宇宙なのか――人間原理と宇宙論 (講談社現代新書)宇宙はなぜこのような宇宙なのか――人間原理と宇宙論 (講談社現代新書)
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青木 薫

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龍女「みなみ」からあなたへの
不思議なメッセージ集
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書籍表紙

不思議の国の「みなみ」
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「みなみ」 今月のメッセージ

神津島の天上山は、
神が集う島のなかでも、
特に神の集まるところ。

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舞尾 空

Author:舞尾 空
・性別:男
・年齢:46歳
・職業:サラリーマン
・血液型:O型

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