質量とは何か、重さとの違いからE=mc²とヒッグス場まで解説

こんなふうに感じたことはないでしょうか。

結論から言うと、質量は「物質の動きにくさ」を表す量で、場所によって変わる「重さ」とは別物です。
そして質量の起源は、ヒッグス場だけで説明できるほど単純ではありません。

この記事は、JAXA・国立天文台・査読論文などの一次情報に直接あたって検証するASTRONOTE編集部がまとめています。

この記事を読むと、次のことがわかります。

読み終える頃には、「質量とは何か」という問いに、自分の言葉で答えられるようになっているはずです。

質量とは物質の「動きにくさ」を表す量

質量と重さは、日常では同じように使われますが、物理ではまったく別の量です。
まずこの違いから確認します。

質量の定義は「慣性の大きさ」で単位はキログラム

質量とは、物質の「動きにくさ」の度合いを表す量です。
言いかえると、物体を動かしたり止めたりするときの手ごわさ、つまり慣性の大きさのことです。
JAXAは、質量を「物質の動きにくさの度合い、つまり慣性の大きさのこと」と説明しています（出典: JAXA ファン!ファン!JAXA!）。

質量の大きな物体ほど、動かし始めるにも、動いているものを止めるにも大きな力が必要になります。
たとえば同じ力で押しても、軽い台車はすっと動き、重い台車はなかなか動きません。
この動かしにくさの違いが、質量の違いそのものです。

質量は「その物体がどこにあるか」に左右されません。
体重計に乗ったときの数値が場所で変わるイメージとは、少し違います。
その違いを次に見ていきます。

「重さ（重量）」は場所によって変わる別の量

重さ（重量）とは、物体に働く重力の大きさのことです。
質量とよく混同されますが、重さは力の一種なので、単位はキログラムではなくニュートン（N）で表します。
JAXAは重さを「物体に作用する万有引力（重力）の大きさ」と説明しています（出典: JAXA ファン!ファン!JAXA!）。

重さは、その場所の重力の強さによって変わります。
地球で質量60kgの人は、重力が地球の約6分の1しかない月面では、重さも約6分の1（約100N）になります。
さらに地球を回るISS（国際宇宙ステーション）の中では、ほぼ重さがなくなります。
それでも、体を作っている物質の量、つまり質量は60kgのまま変わりません。

同じ人が場所を変えたときの、質量と重さの違いを比べてみましょう。

場所	質量	重さ（重力の大きさ）
地球	60kg（不変）	約590N（標準重力から換算）
月面	60kg（不変）	約6分の1（約100N）
ISS（軌道上）	60kg（不変）	ほぼゼロ（無重量状態）

※地球での重さは計算値です（質量60kg × 標準重力加速度9.80665m/s²）。
JAXAが明示しているのは月面の約100N（約6分の1）です。

表からわかるように、変わっているのは重さだけで、質量はどこでも同じです。
「重い・軽い」と感じる感覚は重さの話で、物質そのものの量である質量とは分けて考えます。

質量には慣性質量と重力質量の二つの顔がある

質量は、測り方によって二つの定義があります。
動かしにくさと引き合う強さ、その二つの顔を見ていきます。

慣性質量は「動かしにくさ」で決まる質量

慣性質量は、物体に力を加えたときの加速のしにくさで決まる質量です。
同じ力を加えても、慣性質量が大きいほど速度は変わりにくくなります。
物理では、力と加速度と質量の関係を「力＝質量×加速度」という式で表します。
この式の中の質量が、慣性質量にあたります。

日常の場面で考えると、慣性質量は次のような形で顔を出します。

これらはすべて、動きの状態を変えにくいという慣性のあらわれです。

慣性質量は、重力がまったく働かない宇宙空間でも測れます。
無重量の場所でも、物体は動かしにくさを持っているからです。
この点が、次に説明する重力質量との考え方の違いにつながります。

重力質量は「引き合う強さ」で決まる質量

重力質量は、物体どうしが重力で引き合う強さで決まる質量です。
質量を持つものは、たがいに引き合う性質を持っています。
この引き合う力（万有引力）の源になっているのが、重力質量です。
重力質量が大きいほど、まわりの物体を強く引きつけ、また強く引きつけられます。

慣性質量と重力質量は、定義の出発点がまったく異なります。

一方は運動の変えにくさ、もう一方は重力の源という、別々の性質から定義されています。
本来なら、この二つが同じ値になる理由はどこにもないはずです。
ところが実際に測ってみると、二つはぴたりと一致します。
この不思議な一致が、次に説明する等価原理の出発点になります。

二つが一致する等価原理が相対論の入口になった

慣性質量と重力質量が一致することを、等価原理と呼びます。
定義の異なる二つの質量が、実験で確かめられる限りとても高い精度で同じ値になる、という事実です。
なぜ一致するのかは、ニュートンの力学では「たまたまそうなっている」としか説明できませんでした。

この当たり前のようで実は自明でない一致に注目したのが、アインシュタインです。
彼は等価原理を手がかりに、重力を「空間と時間のゆがみ」としてとらえ直しました。
その考えが、20世紀初頭に発表された一般相対性理論へとつながっていきます。
国立天文台の解説でも、一般相対性理論は一般相対性原理と等価原理を基礎としていると説明されています（出典: 国立天文台 暦計算室）。

等価原理をめぐるポイントは、以下のとおりです。

つまり質量は、物を動かしにくくする量であると同時に、重力を生む量でもあります。
この二面性が、宇宙の重力を理解する理論の入口になりました。

質量とエネルギーは同じものの別の姿である

質量は、動きにくさだけでなく、エネルギーとも深く結びついています。
E=mc²が示す関係を見ていきます。

E=mc²は質量がエネルギーに転換できることを示す

E=mc²は、質量とエネルギーが同じものの別の姿であることを示す式です。
Eはエネルギー、mは質量、cは光の速さを表します。
光の速さは非常に大きな値なので、わずかな質量が莫大なエネルギーに相当します。
この式は、アインシュタインの特殊相対性理論から導かれた、質量とエネルギーの等価性を表しています（出典: KEK 近藤氏解説）。

質量とエネルギーが結びつくと、次のようなことが起こります。

太陽が長い時間にわたって輝き続けられるのも、この質量とエネルギーの関係があるからです。
質量は動かしにくさであると同時に、エネルギーの詰まった缶詰のような側面も持っています。
この見方が、質量の起源を考えるうえで重要な足場になります。

この等価性が「質量の起源」を考える鍵になる

E=mc²には、逆向きの意味もあります。
質量がエネルギーになるだけでなく、エネルギーが質量として現れることもある、という点です。
閉じ込められた運動エネルギーや、粒子どうしを結びつけるエネルギーは、外から見ると質量の一部として観測されます。

このエネルギーが質量になるという視点は、次のような問いにつながります。

結論を先に言うと、答えは後者です。
私たちの体や身のまわりの物質の質量の大半は、粒子そのものの質量ではなく、内部のエネルギーに由来します。

その主役が、次に見ていくヒッグス場と、原子核をまとめる「強い力」です。
まずは素粒子に質量を与えるヒッグス場から見ていきます。

素粒子の質量はヒッグス場から生まれる

そもそも、粒子はどこから質量を得るのでしょうか。
その一つの答えが、宇宙を満たすヒッグス場です。

ヒッグス場が素粒子の動きを妨げて質量を与える

ヒッグス場は、宇宙の空間全体を満たしていると考えられている場です。
素粒子がこの場の中を進もうとすると、いわば抵抗を受けて動きにくくなります。
この動きにくさが、素粒子にとっての質量として現れます。
東京科学大学（旧・東京工業大学）の解説では、ヒッグス場は「物質を形成している物質粒子と、素粒子の力を媒介する粒子の両方に質量を与える」とされています（出典: 東京工業大学）。

ヒッグス場が質量を与える相手は「素粒子」です。

これらの素粒子は、ヒッグス場との関わりの強さによって、それぞれ異なる質量を持ちます。
よく「プールの中を歩くと動きにくい」といった比喩で説明されますが、これはあくまでイメージであり、実際の仕組みそのものではありません。
比喩に引きずられず、素粒子がヒッグス場から質量を受け取るという点だけを押さえておけば十分です。

2012年のヒッグス粒子発見で仕組みが裏づけられた

ヒッグス場のアイデアは、1964年にアングレール氏とヒッグス氏によって提唱されました（出典: 東京科学大学［旧・東京工業大学］）。
当時は理論上の予想にすぎず、本当にそのような粒子が存在するのかは長く確かめられていませんでした。
ヒッグス場が実在するなら、その振動にあたるヒッグス粒子が見つかるはずだと考えられていました。

そのヒッグス粒子が実際に見つかったのが、2012年です。

この発見によって、素粒子に質量を与える仕組みが実験的に裏づけられました。
翌2013年には、理論を提唱したヒッグス氏とアングレール氏にノーベル物理学賞が贈られています（出典: KEK）。
提唱から半世紀ちかくを経て、質量の起源をめぐる理論の一つが確かめられたわけです。

私たちの体の質量の大半はヒッグス由来ではない

ヒッグスが体重を作る、と思われがちですが、実はそうではありません。
体重の大半の正体を見ていきます。

陽子や中性子の質量の大半は強い力のエネルギー

私たちの体重の大部分は、体を作る原子の中心にある原子核が担っています。
原子核は陽子と中性子からできていて、その一つひとつはさらに小さなクォークからできています。
陽子は、アップクォーク二つとダウンクォーク一つが集まったものです。

ところが、このクォークたちを足し合わせても、陽子の質量にはまったく足りません。
クォークどうしは「強い力」で結びつき、その力を伝えるグルーオンという粒子が激しく飛び交っています。
このグルーオンやクォークの運動エネルギー、結びつきのエネルギーが、E=mc²を通じて質量として現れます。

陽子の質量の内訳は、次のようになっています。

つまり陽子の重さのほとんどは、粒子そのものの重さではなく、内部で渦巻くエネルギーの重さです。
先ほどのE=mc²が、ここで大きな意味を持ってきます。

ヒッグス由来はごく一部にすぎない

では、陽子の質量のうちヒッグス場に由来する分はどれくらいでしょうか。
ヒッグス場が質量を与えるのはクォーク自身であり、そのクォークの質量は陽子全体のごく一部にすぎません。
どれくらい小さいかは、クォークの質量をどう定義するかによって幅があります。

物質全体で見ても、ヒッグス場が直接与えるのはクォークの静止質量に限られ、普通物質の質量の大半はエネルギーに由来します。
こうして見ると、「ヒッグス粒子が私たちの体重を作っている」という説明は、正確ではありません。

体重の大半を生んでいるのは、原子核の中で働く強い力のエネルギーのほうです。
ヒッグス場はあくまで、素粒子一つひとつに質量を与える役割を担っています。

質量の基準キログラムはいまや物理定数で決まる

最後に、質量を「測る」側の話です。
1キログラムの決め方は、近年になって大きく変わりました。

かつては「国際キログラム原器」という金属塊で定義していた

かつて1キログラムは、たった一つの金属の塊を基準に決められていました。
それが国際キログラム原器で、白金90パーセントとイリジウム10パーセントからなる合金でできています（出典: 産業技術総合研究所）。
1889年に定められたこの原器は、世界の質量の基準として長く使われてきました。

しかし、この方法には弱点がありました。

基準そのものが少しずつ変わってしまうのでは、精密な科学や産業には不都合です。
変わらないはずの1キログラムが、実は少しずつ揺らいでいたわけです。
そこで、人工物に頼らない新しい定義が求められるようになりました。

2019年からはプランク定数で定義するようになった

新しい1キログラムは、自然界の基本的な定数を使って定義されています。
基準になったのはプランク定数で、これは量子力学にあらわれる、宇宙のどこでも変わらない数値です。
2018年11月の国際度量衡総会でこの改定が採択され、2019年5月20日から施行されました（出典: 産業技術総合研究所）。
5月20日は、メートル条約が結ばれた日にちなむ「世界計量記念日」です。

こうして質量の基準は、一つの物体から、宇宙のどこでも通用する自然の法則へと移りました。
「質量とは何か」という問いは、それを測るものさしの進化とともに、少しずつ深められてきました。

よくある質問

質量と重さ（重量）は何が違いますか？

質量は物質そのものの動きにくさ（慣性）を表す量で、場所によらず一定です。単位はキログラムです。
一方の重さは、物体に働く重力の大きさで、場所によって変わります。単位はニュートンです。

たとえば地球で質量60kgの人は、月面では重さが約6分の1（約100N）になり、ISSではほぼ無重量になりますが、質量は60kgのまま変わりません（出典: JAXA）。

ヒッグス粒子はすべての質量の源なのですか？

いいえ。ヒッグス場が質量を与えるのは、クォークや電子などの素粒子です。
陽子や中性子の質量の大半は、内部で働く強い力（グルーオン）のエネルギーに由来します。
クォーク自身の質量は陽子質量のごく一部です。

日本物理学会は現行クォーク質量で1パーセント程度、米ケンタッキー大学の格子計算は構成クォーク質量で10パーセント未満と見積もっています（出典: 日本物理学会、米ケンタッキー大学）。

質量の単位キログラムはどう決まっていますか？

2019年5月20日から、人工物ではなく、物理定数であるプランク定数にもとづいて定義されています。
それ以前は、白金とイリジウムの合金でできた国際キログラム原器が基準でした（出典: 産業技術総合研究所）。

まとめ：質量とは動きにくさであり、その起源は一つではない

質量とは、物質の「動きにくさ」を表す量です。
場所によって変わる「重さ」とは別物で、月でもISSでも質量そのものは変わりません。

この記事の要点は次のとおりです。

質量を軸にすると、重力やブラックホール、相対性理論といったテーマも、ひとつながりに見えてきます。
「動きにくさ」という素朴な感覚から始まった問いが、宇宙の成り立ちにまで届いていることに、少し驚かされます。

出典