静止エネルギー

静止エネルギー（せいしエネルギー、英: rest energy^[1]）は、アインシュタインの特殊相対性理論によって示された、質量が存在することにより生じるエネルギー。質量 $m\,$ の物体は、光速 $c\,$ を用いて、

E_{0}=mc^{2}\,

で表される静止エネルギー $E_{0}\,$ を持つ。運動エネルギーやポテンシャルエネルギーとは異なるもので、質量が存在するだけで生じる。

この式は、質量を持つ物体には膨大なエネルギーが内在していることを示している。そして、実際に質量をエネルギーに変換することは可能である。例えば、電子と陽電子を衝突させると、これらの粒子が対消滅し、元の質量に応じたエネルギーが発生する。また、原子核反応でエネルギーが発生する場合には、反応後の質量はわずかに減少するし（質量欠損）、一般の化学反応でも、非常にわずかではあるが質量が変化する。

相対論におけるエネルギー

特殊相対性理論によれば、運動する物体のエネルギーは次の式で表される。

E={\sqrt {m^{2}c^{4}+\left|{\boldsymbol {p}}\right|^{2}c^{2}}}

ここで、 $E\,$ はエネルギー、 $m\,$ は質量、 ${\boldsymbol {p}}$ は運動量、 $c\,$ は光速である。また、運動量 ${\boldsymbol {p}}$ と速度 ${\boldsymbol {v}}$ の関係は次の式で表される。

{\boldsymbol {p}}={\frac {{\boldsymbol {v}}E}{c^{2}}}

これらから、エネルギーと速度の関係は次の様になる。

E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-\left|{\boldsymbol {v}}\right|^{2}/c^{2}}}}

…（式1）

この式をテイラー展開すると次の様になる。

E=mc^{2}\left\{1+{\frac {1}{2}}\left({\frac {\left|{\boldsymbol {v}}\right|}{c}}\right)^{2}+{\frac {3}{8}}\left({\frac {\left|{\boldsymbol {v}}\right|}{c}}\right)^{4}+{\frac {5}{16}}\left({\frac {\left|{\boldsymbol {v}}\right|}{c}}\right)^{6}+\cdots \right\}

この式は、速度 ${\boldsymbol {v}}$ が光速に対して十分小さい ( $\left|{\boldsymbol {v}}\right|^{2}\ll c^{2}$ ) 場合は、次のようになる。

E=mc^{2}+{\frac {1}{2}}m\left|{\boldsymbol {v}}\right|^{2}

$mc^{2}\,$ は最初に述べた静止エネルギーであるので、結局式は次のようになる。

E=E_{0}+{\frac {1}{2}}m\left|{\boldsymbol {v}}\right|^{2}

つまり、速度が小さい場合は、質量 $m\,$ の物体が速度 ${\boldsymbol {v}}$ で動いている場合の運動エネルギーが ${\frac {1}{2}}m\left|{\boldsymbol {v}}\right|^{2}$ になるというニュートン力学と同じ結論になる。

なお、式1を導出するのに、 $E_{0}=mc^{2}\,$ の $m\,$ に相対論的質量

m_{r}={\frac {m}{\sqrt {1-{\left|{\boldsymbol {v}}\right|^{2}/c^{2}}}}}

を代入するという説明がなされることがあるが、正しい説明とは言えない。まず、相対論的質量という概念自体にあまり意味がない（相対論的質量を参照）。そして、 $E_{0}=mc^{2}\,$ という式は、静止エネルギーと質量の関係を表している式であるから、相対論的質量という質量とは異なるものを代入して、運動している物体のエネルギーが得られるかどうかは定かではない。