月で「体重」が減っても、痩せていません。

編集・制作：未知なる宇宙科学 ARCHIVES 編集部

月では体重が6分の1になる。でも、痩せてはいない。

「重さ」と「量」は、別々の概念です

スーパーで肉を1kg買い、自分の体重を測り、荷物の重さを気にする。日常生活では「重さ」という言葉が、物質の量と引力の大きさを区別なくまとめて指しています。ところが物理学は、この感覚を二つのまったく異なる概念に切り分けています。

一つは質量（mass）。「物質がどれだけ詰まっているか」を表す、その物体に固有の量です。原子の数、と言い換えてもかまいません。質量は、宇宙のどこに行っても変わりません。地球であれ、月であれ、無重力の宇宙ステーションの中であれ、一定のままです。単位はキログラム（kg）。

もう一つが重さ（weight）。質量を持つ物体が重力に引かれる「力」の大きさです。力である以上、本来の単位はニュートン（N）であり、引っ張る重力の強さによって変化します。

17世紀、アイザック・ニュートンは「物体には押されにくさ・止まりにくさの度合いがある」ことを質量として定式化しました。運動方程式 F = ma（力＝質量×加速度）は、質量という不変の量こそが物体の本性であることを示しています。

体重計が「kg」と表示するため、私たちは重力に引かれる力の大きさを、自分の物質量そのものだと思い込みがちです。しかし実際には、体重計が測っているのはあなたと地球との引力の大きさです。

月で体重が6分の1になる理由

地表で物体が受ける重力の強さは、その天体の質量と半径で決まります。地球の表面重力加速度は 9.8 m/s²（「1G」と呼ばれる基準値）です。

月の質量は地球のおよそ 81分の1 しかありません。これだけなら重力は81分の1になりそうですが、月は半径も地球の約4分の1ほど小さく、表面が中心に近いぶん引力が強まります。この二つの効果が組み合わさった結果、月の表面重力加速度は 1.62 m/s²、ちょうど地球の約6分の1になります。

したがって、地球で60kgの人が月で体重計に乗ると、針は10kg相当を指します。しかし質量は60kgのままです。あなたの体を構成する原子の数は、何一つ減っていません。

この違いをわかりやすく確かめる思考実験があります。月面で体重計の針が10kgを指すあなたが、目の前のボウリングの球を蹴ろうとする。すると、蹴り応えは地球と変わりません。転んだときの痛さも同じです。なぜか。物体を動かしたり止めたりするときに抵抗するのは重力ではなく慣性、すなわち質量だからです。体重計の数字が軽くなっても、物を動かすときの「動かしにくさ」はどこでも一定です。

「痩せる」とは、質量を減らすことです

私たちが「痩せる」というとき、本当に減らしたいのは脂肪という物質量＝質量です。これは食事や運動を通じて、物質を体外へ排出することでのみ減らせます。重力の弱い場所へ移動しても、物質は一片たりとも取り除かれません。

月へ行けば体重計の針は軽くなります。ただし地球へ戻れば、針は元の60kgを指します。軽くなって見えた部分は、もとからあなたの物質量ではなく、あなたと月との間に働く引力の大きさを反映していたにすぎません。

質量の起源は、現代物理学の大きな課題です

ここまで「質量は不変の本性だ」と説明してきました。ただし現代物理学の最前線では、さらに根本的な問いが立ち上がっています。そもそも質量とはどこから来るのか、という問いです。

アインシュタインの特殊相対性理論は E = mc² を導き、質量とエネルギーが本質的に同じものの二つの姿であることを示しました。太陽が毎秒約400万トンの質量を光エネルギーへ変換しながら輝いている、というのはその一例です。

2012年、欧州の巨大加速器LHCによりヒッグス粒子の存在が実証されました。素粒子に質量を与える「ヒッグス場」の発見です。電子やクォークといった素粒子はそれ自体では質量ゼロで光速を移動するはずですが、宇宙を満たすヒッグス場との相互作用によって動きにくさ、すなわち質量を得ているとされています。

ただし、このヒッグス機構で説明できるのは陽子・中性子の質量のうちわずか1〜2%にすぎないとされています。残り98%以上は、内部で激しく動き回るクォークとそれを結びつける強い力のエネルギーが E=mc² によって質量として現れたものです。つまり、私たちの体重の大部分は、ある意味で「物質」というより閉じ込められたエネルギーの運動に由来しています。

さらに宇宙全体を見渡すと、私たちが知る通常の物質は宇宙全体のたった5%とされています。残りは正体不明のダークマター（暗黒物質）が約27%、宇宙の膨張を加速させるダークエネルギーが約68%を占めると考えられています。「質量とは何か」という問いは、宇宙の95%がいまだ未解明であるという現実へとまっすぐ通じています。

まとめ：体重計が測っているもの

今朝あなたが乗った体重計の数字は、「あなた」と「地球という巨大な天体（質量 5.97×10²⁴ kg）」が引き合う力の記録です。あの針はあなた単独を測っていたのではなく、あなたと地球との関係を測っていました。

月で針が6分の1を指しても、あなたを構成する原子の数は変わりません。質量は不変です。月でも火星でも宇宙ステーション内でも、あなたという物質の量だけは変わらない一定の値です。

将来、人類が月や火星に都市を築くとすれば、「体重」という言葉は文脈によって意味が曖昧になり、「質量」で自分を語る機会が増えるかもしれません。火星の重力は地球の約38%、月では約17%ですから、住む天体によって体重計の数字は変わります。それでも質量の値だけは、太陽系のどこでも同じです。

一方で、その「不変の質量」の正体については、ヒッグス機構も含めてまだ解明されていない部分が多く残っています。体重計の針という身近な指標の背後に、現代物理学がいまも取り組んでいる未解決の問いがあります。