光の速度とE=mc²の関係について解説

「E=mc²」の公式は、質量とエネルギーの関係を示すもので、光のような質量を持たない物体がなぜ光速（秒速30万km）で移動できるのかに関する疑問はよくあります。この記事では、光速と質量の関係について、そしてその疑問に対する物理学的な解釈を解説します。

「E=mc²」の公式の基本

アインシュタインの特殊相対性理論に基づく「E=mc²」は、質量（m）とエネルギー（E）の間に直線的な関係があることを示しています。ここで、cは光の速度（約30万km/s）です。この式が意味するのは、質量がエネルギーの形態であり、エネルギーは質量を変換することができるということです。

光に質量がない場合でも、どうして光速で進むのか？

光（フォトン）は質量を持っていませんが、E=mc²の式だけで光が進む理由は説明できません。実際には、光が速さを持っている理由は、光子（フォトン）が質量0であるにも関わらず、エネルギーを持っているからです。光はエネルギーを持つ波動であり、質量0でもエネルギーを持つことから光速で進むことができます。

光子のエネルギーと質量の関係

光のエネルギーは、フォトンの波長に関連しています。フォトンのエネルギーは「E = hν」で表され、hはプランク定数、νは光の周波数です。光は質量0であるため、E=mc²の式に基づく質量-エネルギー等価性が適用されるわけではなく、光のエネルギーがその運動に必要な力を提供しています。

特殊相対性理論と光の速度

特殊相対性理論によれば、物体の質量が増加するとその速度も上げることができるが、光速は常に一定であるとされています。これは、どんな物体も光速に達することができないことを意味しますが、光自体は例外的に質量がないため、光速で進むことができます。

まとめ

光は質量を持たないため、E=mc²の式において「m」をゼロとして扱うことができますが、光にはエネルギーがあり、それが光の速度（秒速30万km）を支えています。したがって、光が進む速さとそのエネルギーとの関係を理解するためには、E=mc²の公式に加えて、光子のエネルギーと特殊相対性理論の理解が重要です。