正確には素粒子の質量として扱われるGeV/c2は、質量を意味する「数」ではありません。では、何を意味しているかを考えましょう。
前置きが長いですが、日常の出来事と対比させて詳しくご説明します。
電子ボルト
まず、電子ボルト(eV)とは何かをAIに訊きます。
Q:電子ボルトとは?
A:電子ボルト(eV)とは、エネルギーの大きさを表す単位の一つです。主に原子や素粒子といった非常にミクロな世界のエネルギーを測る際に使われます。
定義
1電子ボルトは、「1個の電子が、1ボルト(V)の電位差の中で加速されたときに得るエネルギー」と定義されています。
主な特徴
・非常に小さい単位: 私たちの日常生活で使われる「ジュール(J)」に換算すると、1 eV ≒ 1.602 × 10?1? J という極めて小さな値になります。
・計算の利便性: 原子物理学の世界では、ジュールを使うと桁数が多すぎて不便なため、この「電子ボルト」という単位を使うことで数値を扱いやすくしています。
具体的な使用例
・可視光のエネルギー: およそ 1.6 ? 3.1 eV
・水素原子の電離エネルギー: 13.6 eV
・医療用X線のエネルギー: 数十k(キロ)~数M(メガ)eV
さらに詳しく知りたい場合は、高エネルギー加速器研究機構(KEK)の用語解説や、ブリタニカ国際大百科事典(コトバンク)などで正確な定義を確認できます。
Q:正確にはGeV/c2ではないか
A:ご指摘の通り、素粒子の物理学において「質量」を表す厳密な単位は GeV/c2(またはeV/c2)です。
混同を避けるために整理すると、以下のようになります。
1. 物理的な定義の違い
・eV(電子ボルト): 本来はエネルギーの単位です。
GeV/c2: アインシュタインの式 E=mc2(エネルギー=質量 × 光速の2乗)に基づいた質量の単位です。
・式を変形するとm=E/c2 となるため、エネルギー(GeV)を光速の2乗(c2)で割ったものが質量の単位として使われます。
2. なぜ「GeV」だけで呼ばれることが多いのか
専門家の間や論文などでは、しばしば単に「質量は~GeV」のように表現されます。これには以下の理由があります。
・自然単位系の使用: 高エネルギー物理学では、計算を簡略化するために光速 cを1 と置く「自然単位系」が一般的に使われます。c=1 の世界では、E=m となるため、エネルギーと質量の単位を区別せずにeV や GeV で表記します。
・慣習的な略称: 文脈上「質量」の話をしていることが明らかな場合、分母の c2 を省略して呼ぶのが通例となっています。
まとめ
・厳密(SI単位系との整合性)に言うなら: 質量はGeV/c2 です。
・物理学の慣習(自然単位系)では: 質量もエネルギーも GeV で表します。
例えば、陽子の質量は厳密には約0.938 GeV/c2 ですが、物理学の文脈では「約 1 GeV」と表現されるのが一般的です。
要は、電子ボルト(GeV)は、「1個の電子が、1ボルト(V)の電位差の中で加速されたときに得るエネルギー」として使われるが、正確には(GeV/c2)であるとの説明です。
c2(光速度の二乗)ここが問題です。後に説明します。
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