第16章太陽――核エネルギーの源The Sun: A Nuclear Powerhouse

As we have seen, energy cannot be created or destroyed, but only converted from one form to another. One of the remarkable conclusions derived by Albert Einstein (see Albert Einstein) when he developed his theory of relativity is that matter can be considered a form of energy too and can be converted into energy. Furthermore, energy can also be converted into matter. This seemed to contradict what humans had learned over thousands of years by studying nature. Matter is something we can see and touch, whereas energy is something objects have when they do things like move or heat up. The idea that matter or energy can be converted into each other seemed as outrageous as saying you could accelerate a car by turning the bumper into more speed, or that you could create a bigger front seat by slowing down your car. That would be pretty difficult to believe; yet, the universe actually works somewhat like that.

すでに見たように、エネルギーは生み出すことも消すこともできず、ある形から別の形へ変えることだけができる。アルベルト・アインシュタインが相対性理論を構築したときに導いた驚くべき結論の一つは、物質もエネルギーの一つの形とみなせ、エネルギーに変換できるというものだった。「アルベルト・アインシュタイン」の欄も参照しよう。さらに、エネルギーも物質に変換できる。これは、人類が数千年にわたり自然を研究して学んできたことに反するように思えた。物質は見たり触れたりできるものだが、エネルギーは、物体が運動や発熱のようなことをするときにもっているものである。物質とエネルギーが互いに変わりうるという考えは、車のバンパーを速さに変えて加速したり、車を減速させて前部座席を大きくしたりできると言うのと、同じくらい突飛に思えた。とても信じにくいだろう。けれども宇宙は、実際にいくらかそれに似た仕方で働いている。

The remarkable equivalence between matter and energy is given in one of the most famous equations:

物質とエネルギーの驚くべき等価性は、最も有名な方程式の一つによって表される。

In this equation, E stands for energy, m stands for mass, and c, the constant that relates the two, is the speed of light $(3\times {10}^8\text{meters per second})$. Note that mass is a measure of the quantity of matter, so the significance of this equation is that matter can be converted into energy and energy can be converted into matter. Let’s compare this equation of converting matter and energy to some common conversion equations that have the same form:

この式で、Eはエネルギー、mは質量を表す。そして、二つを結び付ける定数cは光速$(3\times {10}^8\text{m/s})$である。質量は物質の量の尺度なので、この式が意味するのは、物質をエネルギーに、エネルギーを物質に変えられるということである。物質とエネルギーを換算するこの式を、同じ形をもつ身近な換算式と比べてみよう。

Just as each conversion formula allows you to calculate the conversion of one thing into another, when we convert matter into energy, we consider how much mass the matter has. The conversion factor in this case turns out not to be either 12 or 100, as in our examples, but another constant quantity: the speed of light squared. Note that matter does not have to travel at the speed of light (or the speed of light squared) for this conversion to occur. The factor of c² is just the number that Einstein showed must be used to relate mass and energy.

換算式を使えば、あるものを別のものに換算できる。それと同じように、物質をエネルギーに変えるときには、その物質がどれだけの質量をもつかを考える。この場合の換算係数は、例に出た12でも100でもなく、別の一定の量、すなわち光速の2乗である。この変換が起きるために、物質が光速、あるいは光速の2乗の速さで動く必要はないことに注意しよう。c²という係数は、質量とエネルギーを関係付けるために使わなければならないと、アインシュタインが示した数値にすぎない。

Notice that this formula does not tell us how to convert mass into energy, just as the formula for cents does not tell us where to exchange coins for a dollar bill. The formulas merely tell us what the equivalent values are if we succeed in making the conversion. When Einstein first derived his formula in 1905, no one had the faintest idea how to convert mass into energy in any practical way. Einstein himself tried to discourage speculation that the large-scale conversion of atomic mass into energy would be feasible in the near future. Today, as a result of developments in nuclear physics, we regularly convert mass into energy in power plants, nuclear weapons, and high-energy physics experiments in particle accelerators.

この式は、質量をエネルギーに変える方法を教えてくれるわけではない。セントの換算式が、硬貨をドル紙幣に両替できる場所を教えてくれないのと同じである。式が教えてくれるのは、変換ができたなら、互いに等価な量がいくらになるかだけだ。アインシュタインが1905年に初めてこの式を導いたとき、質量をエネルギーに変える実用的な方法は、誰にもまったく見当がつかなかった。アインシュタイン自身も、原子の質量を大規模にエネルギーへ変換することが近い将来に可能になるという推測を、抑えようとしていた。現在では、原子核物理学の発展により、発電所、核兵器、粒子加速器での高エネルギー物理実験において、質量をエネルギーに変換することが日常的に行われている。

Because the speed of light squared (c²) is a very large quantity, the conversion of even a small amount of mass results in a very large amount of energy. For example, the complete conversion of 1 gram of matter (about 1/28 ounce, or approximately 1 paperclip) would produce as much energy as the burning of 15,000 barrels of oil.

光速の2乗c²は非常に大きな量なので、わずかな質量を変換するだけで、非常に大量のエネルギーが生じる。たとえば、1グラムの物質、約28分の1オンス、あるいはおよそクリップ1個分を完全に変換すれば、1万5,000バレルの石油を燃やすのと同じだけのエネルギーを生み出す。

Scientists soon realized that the conversion of mass into energy is the source of the Sun’s heat and light. With Einstein’s equation of E = mc², we can calculate that the amount of energy radiated by the Sun could be produced by the complete conversion of about 4 million tons of matter into energy inside the Sun each second. Destroying 4 million tons per second sounds like a lot when compared to earthly things, but bear in mind that the Sun is a very big reservoir of matter. In fact, we will see that the Sun contains more than enough mass to destroy such huge amounts of matter and still continue shining at its present rate for billions of years.

科学者はすぐに、質量からエネルギーへの変換が、太陽の熱と光の源だと気づいた。アインシュタインの式E = mc²を使って計算すると、太陽が放射するエネルギーは、太陽内部で毎秒約400万トンの物質を完全にエネルギーへ変換すれば生み出せる。毎秒400万トンを消費すると聞くと、地上のものと比べれば大変な量に思える。しかし、太陽は非常に大きな物質の貯蔵庫であることを忘れてはならない。実際、これから見るように、太陽には、そのような莫大な量の物質を消費しながらも、現在の割合で数十億年間輝き続けるのに十分な質量がある。

But knowing all that still does not tell us how mass can be converted into energy. To understand the process that actually occurs in the Sun, we need to explore the structure of the atom a bit further.

しかし、そこまでわかっても、質量がどのようにエネルギーに変わるかはまだわからない。太陽で実際に起きている過程を理解するには、原子の構造をもう少し詳しく探る必要がある。