ウィリスの宇宙交信記

超絶怒涛のスーパーミラクル雑記ブログ

星がなぜ燃え続けているのかというお話。物質とエネルギーは同等という僕たちの住むSFな世界

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どうも!ウィリスです

今日は星が光るエネルギーはどこから来とるかって話をしようかな

 

太陽は寿命100億年と言われて、今はだいたい50億歳と言われとる

その間ずーと燃え続けてエネルギーを放出し続けとるんや

 

この莫大なエネルギーはどこから来とるんやろか??

実はこれ、昔はすごい難問やった

 

例えば、太陽をすべて丸々石炭に変えてみて燃やしてみよう

そうしたとき太陽が燃え続けられるのはせいぜい4000年・・・・

めっちゃ短い!!!

 

なにか別の物理過程でエネルギーを供給しとるはずやな。。。

今日はそんな話。

 

 

 

星のエネルギー源って?

星って言ってるけどここでは太陽などの自分で輝いとる恒星のことにするで

 

恒星は自分で輝いとる

それはエネルギーを放出しとるってこと

 

そのエネルギーはどこから来るんやろうか。。。

 

答えは核融合って現象にある

核融合とは

核融合とは字の通り核が融合すること

ここでいう核は原子の核(原子核)やな

 

化学反応は電子のやりとりでくっついたり、離れたりしとるわけやけど

それのバージョンってわけや

 

◯核の反応

例えば重水素と三重水素が融合すれば、ヘリウム原子になったりする

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 ◯電子の反応(化学反応)

化学反応では反応するとエネルギーを放出する現象なんかがあったな

例えば、燃焼。 これは酸素がくっつくことで起きる現象や

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有機物を燃やせば、有機物内の炭素と酸素がくっついて二酸化炭素になる

この時の反応でエネルギーが放出されるから、物を燃やすと熱と光というエネルギーが出るんや

 

これと一緒で核も反応するとエネルギーを放出する場合がある

これを太陽などの構成は自分の内部で行うことでエネルギーを供給しとるわけや

 

核融合は難しい・・・

じゃあ、人類も核融合してエネルギー供給したらええやん!って思うかもしれんけど

そう簡単にはいかんのや。。。

 

核同士をくっつけるためには、核同士の距離をめっちゃ縮めなあかん

じゃないとくっつかへんからな

 

でもな、核って陽子が含まれとるやろ。陽子は+の電荷を持っとる

+の電荷通しで離れ合うからなかなかくっつかへんのや!

 

これはもう無理やり力づくでくっつけるしかない!

というわけで、核融合させたいときには2つの条件が必要になって来る

◯高温度

◯高圧力

 

まず、温度を上げることで原子の運動エネルギーを上げる!

温度ってのはざっくり言えば「原子の振動の大きさ」のことやねん

 

その温度を上げることで、原子核同士をぶつけやすくしようって魂胆や

 

次に高圧。

これはぎゅうぎゅうに原子を詰めて詰めて詰め込むことで原子核同士の距離を近づけようという魂胆や

 

この2つの条件を満たすと核融合が始まる

そしてその二つの条件をちょうど満たす場所がある・・・

 

それは星の内部!

 

星の内部は高音高圧で核融合を始められる条件に当てはまっとるんやな

つまり、星のエネルギー供給源は核融合にあるということや

 

 

なぜ核融合するとエネルギーがでてくるの?

核融合でエネルギーを発生させているのはわかった

けど、なんで原子核同士が融合したらエネルギーが発生するのか。。。謎。。。

 

それを知るにはまず

「エネルギー=質量」という物理の原理を知らなあかん!

(「=」を同等または変換可能という意味で書いています)

 

物理ではエネルギーと質量は同等なもの

物理の方程式の一つでかなり有名なものがある

それは

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これやな!

 

意味を説明しよう

Eはエネルギー[J]

mは質量[kg]

cは光の速さ[m/s](約 秒速30万キロメートル!)

 

この方程式を見てみると

「エネルギーE」と「質量mに光速cの二乗をかけたもの」がイコールで結ばれとる

「エネルギー」=「質量」を表した式なんや

 

これはアインシュタインさんが発見したすごいことなんやで!

 

例えば、「ある物質を消滅させてすべてエネルギーに変換する」

なんてこともできるんやなぁ(ㆀ˘・з・˘)

 

これがものすごいエネルギーを生み出すんや!

 

 

でも・・・わかりにくいな 数式や言葉だけやと。

実感もわかへんし。。。

 

何か例にとって説明してみよう

例えば1円玉を例に取ろう。これは1gやな

もしこの1円玉を全てエネルギーに変換できたとしよか

(わかりやすさのため、質量と重さの違いにはノータッチ)

 

そうしたときにさっきの

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に当てはめてみよう

 

 

まずはmとcそれぞれの値を考えよう

物理では単位をキログラムkg、メートルm、秒sにそろえるよ!

 

そうすると、「質量mの1g」と

「光速cの30万キロメートル毎秒」は次のように変換されるんや

 

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これを代入してみよう!

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すると、エネルギーEがでてくる

9の13乗って出て来たな!

 

これはみんなが知ってる単位に直すと

90兆ジュール!

 

90兆?!(´⊙ω⊙`)

おいおい!一円玉1つエネルギーに変換しただけでこれかいな!

質量って、実は莫大なエネルギーやったんやな!

 

こんなに大きな数字になるのは式を見てみればわかる

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見て欲しいポイントは 光速cの二乗の部分

光速ってのは 光の進む速さ。

めちゃめちゃ早くて1秒間に30万キロメートル進む。

このとてつもなく大きい数字を二乗して質量mにかけているせいでエネルギーが大きくなっとるようやな!

 

 

ちなみにこの90兆ジュールってのは

広島に落とされた原子爆弾なみのエネルギーなんや

とてつもない。。。。

 

まぁ人類はまだ1円玉をそのままエネルギーに変換する技術がないから

1円玉がそのまま爆弾になるなんて日はまだまだ来ないと思うよ

 

 

核融合でエネルギーが出て来る理由

さて、「エネルギー」=「質量」の話が終わった

これで核融合からエネルギーが生じる理由を説明できるで!

 

核融合でエネルギーがでる理由はな

核融合すると質量が少し減り、減った分の質量がエネルギーに変換されているから

 

これ!

これが言いたかった今日は!

 

 

例えば

太陽では次のようなような核融合が行われとる

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これは水素原子核である陽子4つが融合してヘリウム原子核になるような反応や

このとき反応後はすこし質量が減っとるんやな

その減った分が熱エネルギーや光エネルギーになっとるわけや

 

ただ、減少する質量がすごい少ないように感じるかもしれんけど

すこしの質量で莫大なエネルギーが生じるから、太陽くらいのエネルギーはでるんや

 

 

もちろん、太陽は年々質量が減っていっとるでんやで

生成したエネルギーの分だけ質量は減るからな

 

 

ここから、中学校で習った

「質量保存の法則」ってのはウソという話につながる_(┐「ε:)_

 

 

核の反応では「質量」→「エネルギー」と変換されると質量だけ見ると消えたように見えるから「質量保存の法則」は成り立たないんやなぁ

 

そのかわり、質量はエネルギーだと考えることで

「エネルギー保存の法則」は成り立ってるんよ

 

ただし、中学校では

質量保存の法則は化学反応の時だけ成り立つとかって言ってたっけ??

ちょっと覚えとらんなぁ・・・

 

もしそうなら核反応の話に持ちこんで

「質量保存の法則」が成り立っていません!っていうのはナンセンスか・・・

 

 

おまけ:質量保存の法則がウソ

しかしやな、結果から言っちゃうと!

化学反応の時も質量保存の法則はなりったっていないんや!(´⊙ω⊙`)

 

 

例えば最初に話した燃焼の話

これも実は、反応後はすこし質量が減っとる

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めっちゃ厳密に計測すると

最初の「炭素+酸素」より反応後の「二酸化炭素」の方が質量が小さい

 

その減った分がエネルギーになっとったわけやな

核融合も化学反応も同じやったってわけや

 

こっちの方が物理として統一感あってええな!

 

 

ただ、核融合と違う点は、反応で減る質量の大きさ。

核融合はさっきの話でいうと0.7%ほど減少した

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一方 化学反応では0.00000001%ほどしか減少しない

だから出て来るエネルギーも全然違うわけやなぁ

 

この減少量は人類が頑張っても

検出できるかどうかわからんくらい小さい

 

だから、質量保存の法則が成り立っているように見えるわけやし、

それを使って何かをしても全然問題ないってわけ!

 

 

まとめ

 

星がなぜ燃え続けているか

「エネルギー」=「物質」という意味がすこしでも感じ取ってもらえたら嬉しいな

 

普通に暮らしとったら全く必要のない知識かもしれんけど

SFチックでおもしろいなぁと思うわけです

実際に自分のくらいしている世界で起きている現象だなんてワクワクするで!

 

ほいじゃ!