アインシュタインの有名な式「E=mc²」は、質量とエネルギーの関係を示したものです。しかし「光子は質量が0なのに、なぜ光はエネルギーを持っているのか」という疑問を持つ人は少なくありません。実は、この疑問はE=mc²の意味を少し誤解すると生じます。この記事では、光のエネルギーと質量、相対性理論におけるエネルギーの考え方についてわかりやすく解説します。
E=mc²はすべてのエネルギーを表す式ではない
まず重要なのは、E=mc²という式は「物体が静止しているときに持つエネルギー（静止エネルギー）」を表す式だということです。
この式のEはエネルギー、mは質量、cは光の速さを意味しています。つまり、物質が質量を持っている場合、その質量は非常に大きなエネルギーに変換できることを示しています。
例えば、わずかな質量でも光速の2乗という非常に大きな数字を掛けるため、大きなエネルギーになります。原子力発電や核反応で放出されるエネルギーも、この質量とエネルギーの関係によって説明されます。
光子は質量0でもエネルギーを持つ理由
光を構成する粒子である光子（フォトン）は、確かに静止質量を持ちません。そのため、E=mc²だけを見ると「mが0ならEも0になるのでは」と考えてしまいます。
しかし、光子は常に光速で移動しており、静止することができません。そのため、光子のエネルギーは静止エネルギーではなく、運動量を含めた別の関係式で表されます。
相対性理論では、粒子の全エネルギーは次の式で表されます。
E²=(pc)²+(mc²)²
ここでpは運動量を表します。光子の場合はm=0なので、式はE=pcとなります。つまり、質量が0でも運動量を持つため、エネルギーを持つことができます。
「質量がない」と「何も持っていない」は違う
光子に質量がないということは、重さを持たないという意味であり、エネルギーや運動量がないという意味ではありません。
例えば、風には目に見える重さがなくても物体を動かす力があります。同じように、光も質量はありませんが、エネルギーを持っているため物質に影響を与えることができます。
実際に、太陽光は物体をわずかに押す力（光圧）を持っています。また、太陽電池が光を受けて電気を作れるのも、光子がエネルギーを運んでいるためです。
光のエネルギーは周波数によって決まる
光子1個が持つエネルギーは、量子力学では「E=hf」という式で表されます。
hはプランク定数、fは光の周波数です。この式から、光の色によってエネルギーが違うことが分かります。
例えば、赤い光よりも青い光のほうが周波数が高いため、1個の光子が持つエネルギーも大きくなります。紫外線が物質に化学変化を起こしやすいのも、光子1個あたりのエネルギーが大きいためです。
E=mc²と光のエネルギーは矛盾していない
「E=mc²だから質量0の光はエネルギー0になる」という考え方は、E=mc²をすべてのエネルギーに適用できると考えた場合に起こる誤解です。
E=mc²は静止している物体のエネルギーを表す特別な関係式であり、光のように質量を持たず高速で移動する粒子には、より一般的な相対論のエネルギー式を使います。
つまり、光は質量を持たないからエネルギーがないのではなく、質量とは別の形でエネルギーと運動量を持っているのです。
まとめ｜質量0の光がエネルギーを持つ仕組み
E=mc²は質量とエネルギーの関係を示す重要な式ですが、主に静止している物体のエネルギーを表しています。
光子は静止質量を持たないためE=mc²だけでは説明できませんが、運動量を持つためエネルギーを持つことができます。
「質量がないこと」と「エネルギーがないこと」は同じではありません。光は質量0でありながら、エネルギーを運び、物質に作用するという特徴を持った存在なのです。
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