物理学のエネルギーについて知りたいです

質問

物理学でわからないことがあります
エネルギーってどこにありますか？
目に見えないし、触れないし、形がない様に思えます。
エネルギーって物質ではないんですか？ 物質ではないとすると、存在するという時、どう存在していると言えるのでしょう？どう存在すると解釈すればいいのでしょう？(感覚で分かる具体例で説明して欲しいです)
感覚でわからないものでしょうか？

回答No.5

ハヤシ イトアキ（@1284647538999）

エネルギーは、物理学において物質と同様に重要な概念です。エネルギーは、物質によって持たれる性質ではありませんが、物質によってエネルギーが生み出されたり消費されたりすることがあります。エネルギーは、物質が持つ運動エネルギーや位置エネルギー、熱エネルギー、電磁波エネルギーなど様々な形で存在します。

具体例としては、弾性エネルギーや重力ポテンシャルエネルギーが挙げられます。たとえば、バネを伸ばした状態で放した場合、バネが振動をすることがあります。この振動のエネルギーは、バネが伸びた時に保存された弾性エネルギーから生じています。重力ポテンシャルエネルギーの例としては、高さの異なる2つの物体があり、上にある物体を下に移動させる場合を考えます。このとき、物体が持つ重力ポテンシャルエネルギーは、高さに比例しているため、下に移動することでエネルギーが放出されます。

また、エネルギーは感覚でわからないものですが、その影響は目に見えるものに現れることがあります。たとえば、熱エネルギーは物質を加熱することで明確に感じることができますし、電磁波エネルギーは目に見える光や無線通信などで利用されます。エネルギーは、物理現象の原因や結果として重要な役割を果たしていることが多いため、理解することは重要です。

回答No.4

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まず古典物理におけるエネルギーの定義をふりかえってみます。

　　・エネルギーとは、仕事をする能力である．

　この定義は、「仕事をする」という機能をさすもので、エネルギーという実体や物理的実在をさすものではありません。古典力学の中で最も目にみえやすいエネルギーは、運動エネルギーでしょう。速度を持つ質点（物体）は、何かと衝突した時、衝突相手を動かすので「仕事ができるよ」と、「エネルギーを持つよ」と。このエネルギーは、速度を持つ質点に属する事は明らかですが、やはり「機能」です。
　位置エネルギー（ポテンシャルエネルギー）にいたっては、確かに仕事はできますが、それを持つのは物体なのか、地球なのか、はたまた地球と物体の間の空間が持つのか、はなはだ不明瞭です。何故なら地球重心からr離れた物体の持つ位置エネルギーは（物体が持つ、と言われますが）、GMm／rだからです。ここでGは万有引力定数，Mは地球の質量，mは物体の質量です。そう言われながら、「地球の持つ」重力ポテンシャルを－GM／rとするのは当然とされます。しかも位置エネルギー（ポテンシャルエネルギー）は物理量ではなく、その位置による差だけが物理的意味を持つと言われる始末・・・(^^;)。
　古典物理におけるエネルギーは、やはり「機能」です。極論すれば数学的便利手段だとも言えると思います。だからといって、その重要s性が減るわけではありませんが。

　しかし一方で#3さんがおっしゃるように、エネルギー保存則から多種多様な「エネルギー」は相互に変換できます。例えば運動エネルギーは熱エネルギーに化けます（総量を変えずに）。熱はあったかいですからね、そこに何らかの実体を想定する事は可能です。人間は種々の条件下で普遍性を持つ現象の向こうに、常に物理的実体や実在を視てきました。化学において分子や原子はそうやって発見されました。まとめると、古典物理においてエネルギーは公式には機能でしたが、そこに何らかの実体や実在は予感されていた、というところだと思います（← 個人的意見です(^^;)）。

　それでアインシュタインのE＝mc^2です。エネルギーが質量と関連付けられた、というより質量がエネルギーと関連付けられた事により、エネルギーは一気に実体的意味合いを帯びます。何故なら、目に見えて手で触れて可秤量的な通常の物質は（万物は？）、質量を持つからです。可秤量的とは直訳すれば、天秤で重さを測れる事です。物質は間違いなく物理的実在です。言ってしまえば、エネルギーとは物質そのものではないのか？、と。
　でも現状ではそうではないと考えられています。時空間の考えを革新し、E＝mc^2を導いた相対性理論のあまり目立たない側面があります。個人的にはE＝mc^2とは切っても切れないと思えるのですが、それは、場を自立した物理的実在として認めさせた事です。具体的には電磁場（光）です。

　　・目にも見えず、触る事もできず、可秤量的でさえないが、電磁場はそれ自体で自立した物理的実在である．

　光だから見えるんですけど(^^)、我々は波打ってる電磁場自体を視てるわけではありません。そして電磁場に慣性質量に相当するものがある事は、相対性理論以前から知られていました。なので、自分がエネルギーの存在や実体を示せと言われたら、光をあげます。それはエネルギーの塊りとしての物理的実在でよね？、と。通常の物質は、エネルギーの一形態と考える事も可能でしょう。ただしエネルギー一元論には陥らないで下さいね。

　我々が、ある存在なり現象なりがわかったと思うのは、どういう時でしょう？。物質で言えば、それは分子や原子で出来てるとわかった時です。それで化学配合を説明できます。原子は電子と原子核から、原子核は陽子と中性子から出来てるとわかった時、原子の挙動を説明できます。さらに陽子と中性子はクォークから出来てるとした時、素粒子の分類と運動が説明可能になります（素粒子の標準模型）。でもクォークって何さ？、と問われたら、やっぱりわからないんですよ。
　現象がわかったとは、その機構（動作のからくり）が明らかになった時です。電磁場がどんなからくりで伝わるかは、いまもって皆目わかりません。どのように伝わるか（動作するか）はわかっていますが。そのからくりがわかった時、エネルギーとは何かについて、もう少し進歩があるかも知れませんね。もう少し待ちませんか？(^^;)。

回答No.3

N5200model05

エネルギーには形がない、というより、極めて多様な形がある、というのが自分の理解です。

たとえば、温度は「熱エネルギー」です。目には見えませんが、手で触れれば「熱い」と感じます。（火傷に注意して下さいね）
目に見えるものでは、光も「光エネルギー」です。太陽光発電のように直接電気エネルギーにすることもできますが、地球上のあらゆる生物が生きていくのに必要なエネルギーは、光合成を介した、太陽から降り注ぐ太陽光が元になっていて、そして最終的に赤外線となって宇宙の果てに捨てられます。
動いている物体は「運動エネルギー」を持ってます。動かすためには「仕事」が必要で、止めるためにはたとえば「摩擦」で運動エネルギーを熱エネルギーに変えて失わせなければ止まりません。

大事なことは、これら多種多様な「エネルギー」は、相互に変換できるということと、その総量が変わらないということです。

車を走らせるには車に「運動エネルギー」が必要ですが、そのために、燃料の「化学エネルギー」をエンジンと車輪などで車を動かす「運動エネルギー」に変換しているのです。そして、止まるときはブレーキでそれを「熱エネルギー」に変え、あるいはハイブリッド車なら「電気エネルギー」として回収して、蓄電池に「化学エネルギー」として蓄えます。

残念ながら、人間の感覚器ではその存在を捉えられるエネルギーは限られていますが、現在はありとあらゆるエネルギーを観測する手段があります。たとえば、電気エネルギーなら電力計ですね。そして、その「総量」が変わらないことがあらゆる実験によって確かめられていて、それが「エネルギー」というモノが存在している「証」となっています。

なお、わかりにくければこういう説明もできます。

実はエネルギーには質量があって、それがE=mc2という、有名な式で表されています。走っている車は実はほんのわずかですが質量が増え、核分裂でエネルギーを放出した核燃料はわずかに質量が減ります。
エネルギーは目に見えなくても確かに実体があり、ただ、それが余りにも小さいので目に見えないだけ、という理解でも、間違いじゃありません。

以上、ご参考まで。

回答No.2

Nakay702

以下のとおりお答えします。

＞エネルギーってどこにありますか？ 目に見えないし、触れないし、形がない様に思えます。
⇒いろいろなものや状態に潜在しています。例えば、《熱・光・電磁気・質量・運動・位置関係などにエネルギーが潜在》しています。

＞エネルギーって物質ではないんですか？ 物質ではないとすると、存在するという時、どう存在していると言えるのでしょう？どう存在すると解釈すればいいのでしょう？(感覚で分かる具体例で説明して欲しいです) 感覚でわからないものでしょうか？
⇒上記のとおり、エネルギーはいわばポテンシャル（潜在能力）ですので、エネルギーそのものが直接目に見える形で存在してはいるとは限りません。しかし、《熱・光・電磁気・質量・運動・位置関係などにエネルギーがある》とされます。
エネルギーは、それが作動したり、何かに作用を及ぼしたりするときにその存在を認識することができます。例えば、明かりが点灯すれば電磁気のエネルギーが光に変わったことが、車が走ればガソリンや電気のエネルギーが運動力に変化したことが分かります。すなわち、「エネルギーの存在」を知ることができます。

回答No.1

hiro_1116

低い位置から落ちてきたボール（位置エネルギーが小さい）に当たっても痛くない。
高い位置から落ちてきたボール（位置エネルギーが大きい）に当たると痛い。