「宇宙空間に位置エネルギーは存在するのか？」

以前、影響力の有名人が「位置エネルギーは存在しない」と発言して、物理学者の方々から総ツッコミを受けるという話がありました。

「宇宙空間には位置エネルギーが存在するのか」という問いに答えるためには、まず「位置エネルギー」が何かを明確にする必要があります。

「位置エネルギー」とは、物体の位置や状態によって決まるエネルギーの一種です。重力場における位置エネルギー、クーロン力が作る位置エネルギー、弾性エネルギーなどが代表的な例です。これらのエネルギーは、物体の位置や状態が変化することで、他のエネルギーに変換されたりします。例えば、宇宙では位置エネルギーを解放することで、運動エネルギーを得ることも多いです。

さて、位置エネルギーを考える上で重要な事として、「基準点をどこに取るか？」があります。位置エネルギーは、位置エネルギーそのものよりも、「位置エネルギーの差」が重要になります。身近な例として、A地点とB地点がどれだけの距離離れているのかを考えたい時、具体的なA地点とB地点の住所が分からなくても良いのです。例えば、日本の南北方向の大きさは約3000kmですが、北端と南端の位置が分からなくても距離だけ分かれば良いみたいな話です。

というこうとで、位置エネルギーを考える際には、基準をどこに取っても良いのですが、宇宙では、無限遠方で位置エネルギーが0になる様な基準を取ります。この時、宇宙空間で、例えば重力の作り出す位置エネルギーについて考えてみましょう。

ある質量$${M}$$を持った物体が、距離$${r}$$だけ離れた場所にある質量$${m}$$に対して作り出す位置エネルギーは

$$
U(r)=-G\frac{Mm}{r}
$$

と表せます。

この式を見ると、確かに$${r}$$を無限大にしたときに位置エネルギーが0になることが分かります。

宇宙で、位置エネルギーを作り出すのは物体が作り出す重力だけではありません。重力以外にも、電磁気力によって位置エネルギーが生じることがあります。例えば、帯電した物体同士は互いに引き合ったり反発し合ったりするため、電磁気的な位置エネルギーを持ちます。

宇宙空間には、太陽風やプラズマなど、電荷を持つ粒子が存在します。これらの粒子は、電磁気的な相互作用によって位置エネルギーを持ちます。

以上のことから、宇宙空間に物質が存在するのなら、重力による位置エネルギーや電磁気力による位置エネルギーは存在すると言えるでしょう。もし、宇宙空間に物質が何も存在しなければ、位置エネルギーを定義することができないので、定義することができない以上、「位置エネルギーは存在しない」ということになりますが、この文章を書く私がいて、この文章を読むあなたが存在している以上、位置エネルギーは存在することになります。