研究ノート
物質破壊(崩壊)のモデル化
2025.6.16
五十川晋一

目的

 モノはいつか壊れる、と言われるように工学の分野では機械部品やシステムの寿命という概念がある。
材料力学では負荷を掛けた際の応力が降伏点を超えると応力と歪の関係が線形から非線形に遷移する、と説明されている。
この様相は降伏域に入った、又は塑性変形域に入ったと呼ばれるが、荷重を抜くと永久歪が残り、再び線形領域に戻る。
これを繰り返すといずれ破壊が起こる。
従って、機械の設計ではそれが使われる時の応力(荷重)が降伏点を超えないように余裕を確保する。
物質が降伏域や塑性変形域に入るという様相は材料の引張試験のように実験的に観察されるが、物理的な仕組みは未解明である。
本報では物理機能モデル手法を用いてこの仕組みのモデル化を試みる。
なお、物理機能モデル手法の詳細は補足資料に示した。

もくじ

●柔らかい物質について
●エネルギについて
 ・物質に蓄えられるエネルギ
 ・内包量と外延量について
 ・熱エネルギと力エネルギ、位置エネルギの等価性
 ・力学的エネルギと熱エネルギの関係
●モデル化の考え方
 ・相対性理論の解釈
 ・塑性抵抗発現のモデル
 ・モデル化のプロセス
●机上実験
 ・パラメータ
 ・試験条件
 ・結果
●考察
 ・物質の破壊と寿命について
 ・引張試験で観察される現象との対比
 ・塑性抵抗エネルギ積算値の増加プロセスについて
 ・元素の違いと寿命について
 ・柔性値の推定
 ・放射性同位元素崩壊の解釈
 ・物理機能モデルの量子力学への適応
●まとめ
●参考文献

柔らかい物質について

 Fig.1参照
物質は点ではなく、長さ(空間)を持つ。
密度は均一ではなく、質点(重心)は物質内を移動する。
力fは質点に作用する=ニュートンの運動の法則
復元力fiは相対速度vrによって生じる=フックの変形の法則
物質は変形=伸縮しながら運動する。
柔らかさ=柔性とは剛性の逆数であり、相対的なものである。
物質の質量に対して相対的な柔らかさという意味である。
こうした見方をする時、物質は粒子と波動の性質を併せ持つ。

Fig.1

もくじへ戻る

エネルギについて

●物質に蓄えられるエネルギ
 物質全般は絶対零度以上の温度にあるとき、熱エネルギを蓄え、かつ伸縮している。 *1
まず、伸縮している物質の力学的エネルギEは以下のように定義される。

Ev = 1/2 m・v2   Ev:速度(運動)エネルギ、m:質量、v:バネ端部速度               (1.1)
Ef = 1/2 H・f2  Ef:力(変形)エネルギ、H:柔性、f:バネ復元力                 (1.2)
E = Ev + Ef = const. (1.3)

上式は力学の双対性を現し、式(1.3)は対になったエネルギの和は常に一定となる事からエネルギ保存則と呼べる。
補足資料1参照

次に、物質は絶対零度(-273.15℃)= 0(k)以上で熱エネルギEtは以下のように定義される。

Et = m・Cp・T  Et:熱エネルギ、m:質量、Cp:比熱、T:温度                      (1.4)

*1:ド・ブロイの物質波と言え、物質全般はバネと見なす事が出来る。

●熱エネルギと力エネルギ、位置エネルギの等価性
補足資料2参照

●内包量と外延量について
補足資料3参照

●力学的エネルギと熱エネルギの関係
補足資料2に示すように、Et = Ef = 1/2 H・f2 と置けば力fが求められる。
この力fを最初にバネに印加しておくことで、物質が熱エネルギEtを蓄えている事を力学的にバネの伸縮に置き換えて表現する事が出来る。 Fig.2参照
これは式(1.4)が示された時、質量mを持つ物質とは変形しない完全剛体をイメージするかもしれないが、バネのように柔性Hを併せ持って伸縮するという見方をすると言う事である。
又、この力fは地球上でバネの上端を固定して垂直に吊るして静止している時にバネ内部に生ずる復元力と等価であり、重心に作用する重力と釣り合っている、すなわち万有引力と等価と言える。 *2
バネを吊るした状態から解放すれば落下を始めるがその時、式(1.3)に従って力エネルギEf=位置エネルギは逐次速度(運動)エネルギEvに変換され、両者の和は常に一定を保つ。
次に、絶対零度下ではバネの熱エネルギEt = 0、バネ内部の復元力f = 0になるので力エネルギEf = 0となる。
従って何もしなければバネは伸縮しないが、水ヨーヨーを振るように速度を印加すればそれが呼び水となって伸縮し始める。
この時、物質が蓄える力学的エネルギEは外延量と内包量の和となる。
エネルギEとは本来、外延量 + 内包量の形であり、熱エネルギEtは内包量単独という位置づけと言える。
これらを整理したのが以下の表1である。

*2:ニュートンが万有引力の法則を示した時、フックは同じ概念は自分が先に考えたと反論しており、ニュートンが復元力という見方をしていない点を指摘したものと思われる。
万有引力の法則についてニュートンは理論物理学、フックは実験物理学という立場の違いがあったが、フックの反論により両者は反目するようになった。
フックの死後、ニュートンは彼の文書や実験装置を焼却しており、フックの復元力の見方は約2世紀後にアインシュタインが一般相対性理論に於いて空間の歪みという概念を用いるまで、顧みられる事は無かった。
なお、アインシュタインは力学的なアプローチではなく、数学の力を借りて空間の歪みを表現している。

Fig.2
 下図は補足資料に示した物理機能モデルの基本形である。
左端を固定して右端に力fを印加すると右端は速度vを伴って伸縮を始め、これはド・ブロイ波と言える。
人間は内包量に関与出来ないので、力fの印加は復元力fを発生させる為の仮想的な呼び水と言うべきものである。
物質に蓄えられるエネルギ(式1.3)が熱エネルギ(式1.4)に達した後は力fをゼロにしても物質は伸縮し続ける。
又、重力下にあれば、力fを印加せずとも伸縮を始める。
エネルギ変換なる箱は降伏点を超えると復元力と歪の関係が非線形になる仕組みがプログラミングされている。
DHは塑性抵抗係数であり、エネルギ変換なる箱の計算結果で値が決まる。
計算プロセスは後段のモデル化のプロセスで述べる。

もくじへ戻る

モデル化の考え方

●相対性理論の解釈
 質量mと柔性H、速度vと力fはお互いに双対の関係にあり、運動と変形は切り分けられ無い。補足資料参照
ここでアインシュタインの特殊相対性理論に着目し

E = m・c2  c:光速を限界速度と考えるならばその対となる以下の式がある筈である。                      (1.6)
E = H・Fv2  Fv:限界速度と対となる限界力がある筈で、本報ではこれを降伏点と考えてみる。[1] Fig.3参照                      (1.7)

Fig.3

●塑性抵抗発現のモデル化
 Fig.4は原子間に存在する引力と斥力の関係を表す力エネルギ場(通称、レナード・ジョーンズ・ポテンシャル)を表す。 [2]
右図は力エネルギ場を位置(原子間距離)で微分した力を表す。
原子間距離に応じて力の正側は斥力圏、負側は引力圏となる。
また、原子間距離に応じて斥力弾性域、引力弾性域、粘性域に分ける事が出来る。
弾性域と呼んだのは近似的にフックの法則が成り立つ=線形と見なせるという意味合いである。
一方、粘性域と呼んだ領域は非線形を示すが、このようなカーブを描くには原子間距離だけでなく、例えば二つの原子を引き離して行く際の時間(s)と距離(m)の関係=すなわち速度(ms-1)の要因が重なっている必要がある。
双対関係とは速度があれば必ず対となる力が存在する事を意味する。 ここから

 ・速度(ms-1)に比例した力(N)を返す粘性抵抗係数(Nsm-1)の存在
 ・力(N)に比例した速度(ms-1)を返す塑性抵抗係数(ms-1N-1)の存在

が示唆される。
なお、粘性抵抗係数(Nsm-1)と塑性抵抗係数(ms-1N-1)はお互いに逆数の関係にある。
物質の破壊を原子レベルで考える時、原子間に働く引力に抗してお互いを引き離す際の限界力をFvとする。
物質の復元力がFvを超えた時、以下のように考える。

 ・原子が相互に引き離される時に塑性抵抗が働く=塑性抵抗係数に値が入る。
 ・この時、当該原子から電子が遊離し、電磁波が放出される。
 ・その分だけ物質の剛性K=傾きが減少し、逆に柔性Hは増加する。
 ・電子の遊離に因り、柔性Hの増加と対になって質量mが減少する。
 ・質量m、柔性Hの変化分はエネルギに変換され電磁波、及び温度上昇となって現れる。
 ・このプロセスで物質が蓄えていたエネルギの一部が消失したのではなく、総和は常に一定=保存されている。

Fig.4 原子間に存在する引力と斥力の関係を表す力エネルギ場

●モデル化のプロセス
 dt:サンプリング時間(s)
 m:物質の初期質量(Kg)
 m_NOW:物質の現在質量(Kg)
 H:物質の初期柔性(mN-1
 H_NOW:物質の現在柔性(mN-1
 H_d_n:柔性増加代(mN-1
 v1:物質自由端速度(ms-1
 F0:物質内復元力(N)
 c:限界速度 = 光速 = 299792458(ms-1
 Fv:限界力 = 降伏点(N)
 His_DH:塑性抵抗係数(ms-1N-1
 P_His_H:塑性抵抗により消費されるパワ(Js-1
 e_His_H:塑性抵抗により消費されるエネルギ(J)
 E_His_H:そのエネルギの積算値(J)
 LIFE_FR:寿命エネルギ(J) と置く。

 His_DH = c/Fv  F0が限界力Fvを超えないようにするために必要な塑性抵抗係数(ms-1N-1)                     (1.9)

 これは塑性抵抗係数の単位構成から限界速度cを限界力Fvで除したものと仮定し、定数となる。
 Fvは未知の値だが元素によって固有の値を持つと考える。

 P_His_H = F02 ・His_DH  塑性抵抗が働いた際のパワを求める。( Fig.2 モデル図参照)

 e_His_H =∫P_His_H・dt  パワをサンプリング時間で積分すると塑性抵抗エネルギとなる。                     (1.10)

 H_d_n = e_His_H/Fv2   式(1.7)を用い、電子遊離に伴い変化する柔性をエネルギe_His_Hと限界力Fvから逆算する。
 H_NOW = H + H_d_n  塑性抵抗エネルギ分だけ柔性を増加させる(剛性は減少) 逐次パラメータHを更新
 m_NOW = m/H_NOW   柔性変化に伴う現在質量を求める。 逐次パラメータmを更新
 E_His_H = Σe_His_H  塑性抵抗が働いた際のエネルギを積算する。
 LIFE_FR = H・Fv2  寿命エネルギは式(1.7)と同じだが、物質の柔性Hと限界力Fvで決まる事になる。

柔性Hとは物質が力エネルギを蓄えるキャパシティと言え、本報ではこれが物質の寿命を決めていると考える。
特殊相対性理論の解釈の対になるものとして以下のように考える。

・特殊相対性理論:質量mは限界速度=光速cという条件下でエネルギと等価である=変換される。
・一般相対性理論:柔性Hは限界力Fvという条件下でエネルギと等価である=変換される。

物質は伸縮しているが、復元力F0がFvを超えていれば塑性抵抗によるパワP_His_Hはそのエネルギを消費する。
そのエネルギは物質の温度を上昇させると共に、電子が遊離する事で生じる電磁波のエネルギに等しい。
E_His_Hが積算され、LIFE_FRに到達するまでこれが繰り返され、その度に物質の質量mが減少してゆく。
最終的に質量m、及び剛性Kは初期の1/2、逆に柔性Hは2倍となる=柔らかくなる。
試験開始からLIFE_FRまでに達する時間を物質の寿命と定義する。

 なお、本モデルでは便宜上、以下の処理で計算を行う。

 His_DH = c/(Fv・109)  限界力Fvは未知の値であり、仮想値として与える。                     (1.11)

限界力Fvは原子間に働く引力に打ち勝って引き離す際の力という見方をすれば非常に大きな値であり、塑性抵抗係数His_DHは極めて微小な値になると予想される。
従って、復元力F0が降伏点Fvを超えた際に働く塑性抵抗は極めて微小ゆえに物質の伸縮の減衰は極めて長い時間を要し、崩壊壽命は長大になると考えられる。
本モデルを用いて机上実験を試みる際、計算時間を短縮し、桁落ちを回避する為に拡大処理を行う。
前述の様に本モデルで表現される物質はド・ブロイの物質波を伴って伸縮するが、実際は極めて高い振動数の筈である。
ここでその振動数の次数を落とすという発想で、パソコンで扱えるオーダーで計算を行なう事にする。
本モデルのパラメータとしては柔性Hも未知であるが、後述するように1.0e-6(mN-1)と仮決めする。
これにより伸縮周期が拡大され、短い時間で寿命を迎える事が出来る。
なお、式(1.11)の分母の 109 は調整率=レートという意味合いである。
これにより、固有振動数(s-1)は 102 、限界力Fv(N)は 104 、His_DH(ms-1N-1)は 10-6 、寿命(s)は 10-2というオーダーになる。

もくじへ戻る

机上実験

●パラメータ:
・質量m:1.0(kg)
・柔性H:1.0e-6(mN-1) (剛性kの逆数)
・長さ:1.0(m) (無重力時)
・比熱Cp:449.5(JKg-1k-1) (鉄の比熱で代用)
・温度:293.15(k)=20℃
・重力:無し
●試験条件:
・Fig.5に示したように熱エネルギEtと等価な力fを印加し、伸縮させる。
・Fvは未知の値なので以下の方法で仮決めする。
・復元力F0が限界力Fvを超えている区間では超過代が大きい程、柔性増加回数は大きく、寿命到達までの時間は短くなる。 
・逆に差が小さい場合は柔性増加は最小1回で終わってしまい、寿命到達までの時間は長くなる。
・便宜上、寿命到達直前の柔性増加回数が10~3となるようにFvの値を決める。
・なお、Fvの値は復元力F0の波形のスムーズさ、すなわちサンプリング時間に応じて変化する事になる。
・E_His_H がLIFE_FR に達した時刻を寿命と定義する。
・サンプリング時間:1.0e-5(s)

Fig.5

●結果:
 Fig.6に時系列波形を示す。
左1段目:塑性抵抗が働いて減衰する復元力(赤)、限界力=降伏点Fv(白破線)
右1段目:塑性抵抗によって消費されるパワ。
左2段目:塑性抵抗係数(定数)
右2段目:塑性抵抗積算エネルギ。 LIFE_FR(白破線)に達した時刻が寿命である。
右3段目:物質温度。 塑性抵抗パワが消費された結果ゆえに右1段目と同じ曲線が現れる。
左3段目:柔性が倍増してゆくプロセスを示す。
左4段目:質量が半減してゆくプロセスを示す。
右4段目:物質が蓄えているエネルギ(緑)が初期値(白破線)から減衰してゆくプロセスを示す。                         

Fig.6

 Fig.7に伸縮の1周期分をズームしたものを示す。
左図:横軸:時間、縦軸:復元力(赤)、限界力=降伏点Fv(白破線)
右図:横軸:変位、縦軸:復元力
白プロットは復元力(赤)がFvを超えて塑性抵抗が働いた事を示す。
右図の赤線で囲まれた面積が塑性抵抗によって消費されたエネルギになる。(通称、ヒステリシス)                            

Fig.7

もくじへ戻る

考察

●物質の破壊と寿命について
 Fig.6を見ると、以下を可視化出来た事で定性的にはモデル化が出来たと考える。
 ・物質内の復元力F0が限界力Fv=降伏点を超えた際の塑性抵抗の発現。
 ・塑性抵抗パワ。
 ・塑性抵抗パワ消費により物質に現れる温度変化。
 ・電子遊離に伴う物質の柔性Hの増大=剛性Kの低下。
 ・同時に起こる質量mの低下。
 ・Fig.7に示した伸縮の一周期に於ける変位と復元力のヒステリシスから伺える降伏の様相。

●引張試験で観察される現象との対比
 材料力学の分野で行われる引張試験の歴史は古く、工学系の教育機関では履修科目となっている。
試料に荷重を加えると変形するが、荷重を除去しても永久歪が残る事を塑性域に入ったと解釈している。
従って、観測する物理量は荷重と変位である。
また、疲労寿命を理解する為に一定の荷重の印加、除去を繰り返し、試料破断までの回数をもって寿命と呼んでいる。
一方、産業界では製品から無作為に抽出して降伏荷重や疲労寿命の確認が定期的に行われている。
こうした作業は理論の理解や品質管理が目的ゆえ、荷重、変位、寿命を観測出来れば良く、ミクロレベルで起きている現象は不問とされている。
本報は塑性変形が起きる仕組みをモデル化する試みだが、引張試験では今まで観測されていない以下の現象が起きていると考えられる。

 ・試料の温度変化
 ・試料からの電磁波の放射
 ・試料の質量変化

 こうした現象は極めて微弱であるから、観測する為にはそれなりの手段を講じる必要がある。
温度変化は、経験的に針金を何度も折り曲げて折る際に熱を帯びる事で確かめられる。
地震予知の分野では地殻崩壊が起きる時に電磁波が放射される現象が認知されている。[3]
なお、本報の机上実験は復元力と質量は物質内に均等に分布するモデルとなっている。
一方、引張試験では外部から機械的に引張速度を与えているので復元力が集中する部位は局部的となり、質量変化も局部的に起きていると考えられる。
以上から、破断時に試料の質量全体が半減する事にはならない。

●塑性抵抗積算エネルギの増加プロセスについて                                                          
 Fig.8は制御工学に於ける比例制御の例である。
Fig.8

 ある物理量の目標値をYとし、0から増加させて行く際に、現在時刻xに於ける目標値と現在値の差分を考える。
毎ステップの増加量を差分に比例させればFig.8のような曲線が得られる。
Fig.6の右2段目に示すように、塑性抵抗積算エネルギもこのような曲線になる理由を考える。
His_DH:塑性抵抗係数(ms-1N-1)は単位が示すように力(N)を速度(ms-1)に変換する機能=傾きと言える。
現在時刻に於いて復元力F0が降伏点Fvを超えている場合、次のステップでFvを超えないようにするにはF0との差分に等しいキャンセル力、すなわち塑性抵抗を与えてブレーキを掛ければ良い。
これは、自動車が坂道を下っていて制限速度を超える場合、ブレーキを掛けて制限速度まで落とす操作を思い浮かべれば良い。
このブレーキを掛ける=制御対象は双対の関係から物質の復元力であると同時に塑性変形速度でもある。
その抵抗を作り出す為の塑性抵抗係数は、式(1.9)で示したように定数である。
ここで、ブレーキを掛ける対象を塑性変形速度とするならば、次のステップで与えるべき速度減少代⊿vは以下で求められる。

⊿v = F0・His_DH(ms-1

Fig.2のモデルはこれを繰り返す事により、復元力F0は次第に減少して最終的に降伏点Fvに収束して行く。
同時にこのブレーキはステップ毎に、式(1.10)で示したようにエネルギe_His_H(J)を消費する。
さらに式(1.7)により柔性はエネルギと等価であるから、 e_His_H(J)の分だけ柔性Hが増加(剛性Kが減少)する。
時間の経過と供にこのエネルギが積算され、LIFE_FR = H・Fv2に達したところが収束点=寿命となる。
これは自動車が下り坂で制限速度を維持しようとすると、いずれブレーキが摩耗して寿命を迎える事に相当する。
これを時々刻々のステップに分解して説明すると、

・ある時刻で伸び側で復元力+F0が降伏点+Fvを超えると原子に付帯する電子が遊離し、柔性Hが増加=塑性域に入る。
・次の計算ステップで未だ復元力+F0が降伏点+Fvを超えていれば、電子は引き続き1個ずつ遊離する。
・縮み側に遷移し、柔性の増加分だけ復元力F0は低下しており、0に向かうプロセスで柔性は残存原子によって初期値に戻る。
・縮み側で復元力-F0が降伏点-Fvを下回ると同様に電子を遊離し、柔性Hが増加=塑性域に入る。
・伸び側に遷移し、同じプロセスを辿る。

以上が伸縮の1周期である。
これが繰り返される事でヒステリシスが蓄積され、最終的に剛性Kは初期値の1/2に、柔性Hは2倍に収束する。
同時に原子は電子の遊離により質量を失い、その蓄積により物質の質量は最終的に初期値の1/2に収束する。
これは自動車のブレーキが摩耗して摩擦材の質量が減る事に相当する。

 こうした現象は、目標値をエネルギLIFE_FR = H・Fv2と置き、柔性Hの増加量を復元力F0と降伏点Fvとの差分に比例させた自律的な比例制御と言う見方が出来る。
この比例係数がHis_DH:塑性抵抗係数(ms-1N-1)という事になる。
電子を遊離する際の塑性抵抗係数の付与量は式(1.9)に示すように定数である。
従って一般的な比例制御と異なるのは、積算されるエネルギはステップ状=量子的に増加してゆくところである。
このような見方をすると物質の破壊(崩壊)とは、以下の様に表現出来る。

 ・復元力F0が降伏点Fvを超える度に塑性域に入り、柔性Hが2倍に増加、逆に質量が1/2に収束する現象。

また、そもそも物質が蓄えているエネルギEの源は式(1.4)による熱エネルギであるが、柔性の倍増、及び質量の半減と併せてエネルギEは最終的にLIFE_FR の1/2まで低下する事になる。
これは物質のエネルギが消失したように見えるが、それは崩壊のプロセスで電子が遊離し、電磁波として放出されたエネルギ分、及び温度上昇のエネルギ分であり、崩壊前後で総和は常に一定=エネルギ保存則が保たれているという事である。
これは自動車のブレーキの摩擦材は摩耗して消失したように見えるが、大気中に微細な粉塵として残存している事に相当する。
ここから式(1.6)と(1.7)は、

 ・限界速度=光速cという条件では質量はエネルギと等価=変換出来る。
 ・限界力Fvという条件では柔性はエネルギと等価=変換出来る。

という意味を含んでおり、これも力学の双対性と言える。

●元素の違いと寿命について
 物質の質量mを1.0(Kg)に固定してAl、Cr、Fe、Cu、Zn、Ag、Sn、W、Au の9種類の金属元素について寿命を算出した。
質量を固定しているので元素ごとにモル数、すなわち原子の個数が異なる事になる。
ここでは元素に応じて柔性Hを決める必要があるが、以下の考え方に従った。

・プランク定数hから、原子量と比熱Cp、原子量と柔性Hは反比例の関係にある。[4]
・力エネルギEf の式(1.2)、および熱エネルギEt の式(1.4)は、弾性力学と熱力学という各々の分野で導かれた式であるが、比例定数である柔性Hと比熱Cpは物質が蓄える事が出来るエネルギのキャパシティという意味では同じである。

Ef = 1/2 H・F2                                                (1.2)
Et = m・Cp・T (1.4)

・以上から、試験条件で仮決めしたFe物質の柔性H= 1.0e-6(mN-1)を基準とし、他の元素は原子量から比例計算によって求めた。Fig.9参照

Fig.9
各値は原子量を除き、Feを基準にした比率で表している。
左上:原子量と柔性Hは反比例する。
右上:原子量と寿命も反比例する。
左下:原子量と降伏点Fvは比例する。
右下:柔性Hと寿命は比例する。

 結果はAlからAuに向かって原子量が増加すると、寿命は反比例して短くなる結果が得られた。
柔性Hと寿命は比例しており、寿命は元素の柔性Hで決まると解釈出来る。
AlからAuに向かって柔性は低下=剛性は高くなり、寿命に達した時の永久歪は小さくなっている。Fig.10~18参照。
剛性が低い=柔らかい元素ほど寿命は長くなると言える。
これは機械設計全般に以下の選択を迫られる事と符合する。

 ・システムの疲労寿命を勘案して剛性を上げるべきか?、変形が許容出来るならあえて剛性を下げるべきか?
 ・目的に応じてシステムの重量、熱伝導率、導電率やコスト*3を勘案して材質をどうするべきか?

しかしながらこれは、こちらを立てるとあちらが立たない=堂々巡りに陥る事は設計者の経験的事実である。
そうした意味では、式(1.6)と(1.7)、そして力学の双対性とは堂々巡りという意味合いを含んでいると言える。

*3:コストはテクノロジーとは異なり、大量生産=売れる確率の話になる。

Fig.10 Al
Fig.11 Cr
Fig.12 Fe
Fig.13 Cu
Fig.14 Zn
Fig.15 Ag
Fig.16 Sn
Fig.17 W
Fig.18 Au

●柔性値の推定
 先にプランク定数hから、原子量と比熱Cp、原子量と柔性Hは反比例の関係にある、と述べた。
ここで、その考え方を示すと共に、柔性値の推定を行った。
特殊相対性理論と量子力学のプランク定数についての式をあらためて記す、

E = m・c2  m:質量  c:光速                                             (1.6)
E = h・ν  h:プランク定数  ν:振動数                                       (1.12)

式(1.6)と(1.12)は、前者は対象を粒子、後者は波動として捉えていると言われているが、振動数νを前に出すと、

ν = (m・c2)/h  振動数は質量mに比例する。                                 (1.13)

式(1.7)と(1.12)から同様に、

ν = (H・Fv2)/h  振動数は柔性Hに比例する。                                 (1.14)

ここで式(1.13)と(1.14)の両辺の積を取ると、

v2 = (m・c2)/h・(H・Fv2)/h  両辺の平方根を取り、

ν = √(m・H)(c・Fv)/h                                                  (1.15)

一方、一般力学に於けるいわゆるバネ・マス系の自由振動に於ける振動数fは以下の関係にある。

f = 1/(2π√(m・H))                                                   (1.16)

ここで量子力学に於ける振動数νと一般力学に於ける振動数fは以下のように矛盾している。

 ・量子力学 振動数ν:質量mと柔性Hの積に比例する。
 ・一般力学 振動数f:質量mと柔性Hの積に反比例する。

ニュートンの運動の法則 vs フックの変形の法則はお互いに矛盾を抱えているが双対関係にある事に倣えば、
量子力学と一般力学もお互いに双対の関係にあると言う見方が出来る。
そこで、式(1.15)と(1.16)を等しいと置き、

√(m・H)(c・Fv)/h = 1/2π・1/√(m・H)  両辺に√(m・H)を掛けて、

m・H = 1/2π・h/(c・Fv) プランク定数hを前に出すと、

h = 2π・c・Fv・m・H = const.                                                 (1.17)

π、cは定数であるから以下の関係が得られる。

Fv・H・m = const. 注:柔性Hの位置を変えてある。                           (1.18)

Fv・Hは未知の値であるが、Fv・H = Fv/k である。
この意味合いだが、本報ではFvは物質を繋ぎとめて置こうとする限界力=降伏点と考えているから、これを剛性Kで除せばフックの変形の法則が成り立つ限界長さL=限界変形量と言える。
このように考えると式(1.18)は以下のように書き直せる。

L・m = const.                                             (1.19)

これは質量mを原子量と置けば、原子が崩壊する際の限界変形量と原子量の積は一定であると解釈出来る。
すなわち、 Fv・H = Lなる値は未知だが、原子量が大きい元素ほど崩壊に至る際の限界変形量は小さい=柔性Hも小さい=剛性Kは大きい=硬いと言う見方が出来る。
あらためてプランク定数hを表す式(1.17)は以下のように表現出来る。

h = 2π・c・L・m = const.                                         (1.20)

さらに式(1.20)は以下のような見方も出来る。

h = 2π・c・L・m = 2π・c・m・L = const.   c・m:限界運動量 L:限界変形量=変位

この式の意味する所は、原子の限界運動量と限界変形量の積は一定である。
言い換えると、原子の崩壊に於ける運動量と変形量の積は一定である。
量子力学では運動量と変位は同時に確定出来ないと言う不確定性原理があるが、原子崩壊と言う限界条件では、

L = h/(2π・c・m)                                           (1.21)

となり、限界変形量(変位)が定義出来る。  ここでFe原子1個の質量からLを求めて見ると、

  h = 6.62607015×10-34
  光速c = 299792458(ms-1
  Fe原子量 = 55.845(g)
  アボガドロ数 = 6.022×1023
  L =(6.62607015 ×10−34 ×6.022 ×1023)/(2π×299792458×55.845) = 3.7933×10-21(m)

   Feの原子半径は156×10-12(m)と言われているが、限界変形量はそれより小さいという事になる。

次に等方な質量1.0(Kg)のFe物質の限界変形量を求める。

  mol:モル数
  nX:物質の一辺の原子個数
  LLX:物質の一辺の限界変形量(m) と置くと、
  mol = (1.0×103)/55.845 = 17.9067
  nX = (mol×6.022×1023)(1/3) = 2.2093×108
  LLX = nX × L = 2.2093 ×108×3.7933×10−21 = 8.3804×10−13(m)

次に

  LL_vir:机上実験で求めた仮想限界変形量=0.0546(m)
  H_vir:モデルの仮想柔性 = 1.0e-6 (mN-1
  H_estim:質量1(Kg)に於ける推定柔性 と置くと、以下のようなオーダーとなった。

  H_estim = H_vir × LLX/LL_vir = 1.535×10−17(mN-1

 他の8種類の元素について求めると、推定柔性は以下のようなオーダーとなった。

  Al:4.402×10-17(mN-1
  Cr:1.826×10-17(mN-1
  Fe:1.535×10-17(mN-1
  Cu:1.239×10-17(mN-1
  Zn:1.151×10-17(mN-1
  Ag:0.557×10-17(mN-1
  Sn:0.453×10-17(mN-1
  W :0.239×10-17(mN-1
  Au:0.232×10-17(mN-1

ここであらためてH_estimを用いて本報のモデルで再計算してみる事は出来るが、微小な値ゆえ、一般のパソコンでは桁落ちが起こるので、ここまでとした。
限界変形量の考え方をFig.19に示す。 フックの法則が成り立つ線形範囲の限界と言える。

Fig.19

●放射性同位元素崩壊の解釈
 原子核は陽子と中性子で構成され、陽子の数が同じでも中性子の数が異なる原子核を持つ元素を同位元素と呼ぶ。
異なる同位元素同士は相対的に原子核の安定さに差がある。
放射性同位元素は、原子核が不安定な状態を解消するために放射線を放出すると説明されている。
この現象を “壊変(崩壊)” と呼び、放射線は電磁波である。
ウラン238のような放射性同位元素は常温で電磁波(放射線)を放出しながら質量を失って行く。
最終的に質量は半分になり、半減期と呼ばれ、ウラン238は約45億年である。
天然の鉄(Fe)は4種の同位元素からなり、その存在比は以下と言われている。

 ・54Fe:5.845% 半減期は3.1×1022年以上
 ・56Fe:91.754% 安定同位元素
 ・57Fe:2.119%
 ・58Fe:0.282%

半減期が短いほど不安定であることを意味する。
放射性同位元素が崩壊を繰り返し、最終的に安定した物質へ変化すると放射線の放出は止まる。

 上記によると、電磁波を放出するからには電子を放出していると類推できるが、これが前述の地殻崩壊時の電磁波放出と合わせて本報のモデル化のヒントになっている。
しかしながら、何も状態が変化せず静止している放射性同位元素から電子を放出させる事は出来ないから、何某かのアクション=励起が必要と考えられる。
先述の様に物質自らが振動=伸縮する為にはエネルギが必要である。
そのエネルギ源が式(1.4)に示す熱エネルギであり、温度が絶対零度以上である限り物体は伸縮する事が出来、これはド・ブロイの物質波と言える。
放射性同位元素とは降伏点Fvが低く、自ら伸縮するだけで復元力F0が降伏点を超える度に電子を放出する事により、蓄えているエネルギを減じて行く元素と言う見方が出来る。

●物理機能モデルの量子力学への適応
 復元力F0が降伏点Fv以下に収束するまでの時間が寿命だが、AlからAuに向かって原子量が大きくなると寿命は短くなる。
一方、Fig.10~18に示したように実験開始直後の復元力F0(縦軸)のピーク値は元素が異なっても凡そ一定の値を示す。
この理由を以下に示す。
・1900年にプランクは溶鉱炉内で高温の金属が放射する光の周波数スペクトルから温度Tを求める公式を導いた。
・以下に振動数と光エネルギ密度の関係を表すプランクの公式を示すが、振動数νの関数になっている。

 U(ν)dν = 8πkβ/c3・1/(e(βν/T) − 1)・ν3

 U:エネルギ密度、 k:ボルツマン定数、 β:実験値から同定する値、 kβ=h:プランク定数、c:光速、T:温度 、ν:振動数
 両辺を振動数νで積分したものが光のエネルギの全量となる。

・この式で特徴的なのは、光のエネルギは整数倍の値を取る事で初めて成り立つ事である。
・この整数倍になるという性質を量子的と表現したことから、この公式は量子力学の萌芽と言われている。
・現在、光は電磁波であり、粒子と波動の性質を併せ持つ事が実証されている。
・当時、光の粒子説と波動説の扱いが定まっていなかった。
・プランクの公式は振動数νの関数であるから光を波動と見ていた。
・しかしながら、光のエネルギが整数倍の値を取る事から粒子でもあると解釈せざるを得なかった。
・物理機能モデルは物質を伸縮するバネと捉えているので、 Fig.2に示したモデルをn個連結すれば質量、及び柔性はn倍となり、蓄える事が出来るエネルギも式(1.3)に従って整数倍で増える事になる。
・伸縮は波動であるから、冒頭のFig.1で述べたように物質は粒子と波動の性質を併せ持つと捉えている。
・これはFig.2が示すように、物質を質量mだけでなくバネの柔性Hを対にして捉える事で初めて可能となる。
・先に、物質の柔性Hと比熱Cpは物質が蓄える事が出来るエネルギのキャパシティという意味では同じである、と述べたが、共に原子量に反比例する特性値である。
・ここで、同じ質量で元素の異なる物質を考えた場合、

 ・式(1.2)より、蓄える事が出来る力エネルギEfは柔性Hに比例する。
 ・式(1.4)より、蓄える事が出来る熱エネルギEtは比熱Cpに比例する。
 ・先述のように Et = Ef = 1/2 H・f2 と置けばEtから復元力F0は以下の式で求められる。

F0 = √((2・Et)/H)                                           (1.22)

・上式の分子の熱エネルギEtは原子量が大きくなれば反比例して小さくなるが、同時に分母の柔性Hも小さくなる。
・従って、復元力F0は元素に因って変わらない。 Fig.20参照

・プランクの公式のもう一つの重要な特徴は、光のエネルギは物質の温度Tだけで決まると言う事である。
・公式の中には原子量のように元素の違いに因る特性値が含まれていない。
・つまり、原子量、すなわち元素の種類には無関係な事である。
・物質が放射する光のエネルギの源は熱エネルギEtである。
・物質の量を1mol=アボガドロ数個とした場合、式(1.4)より、原子量mと比熱Cpは反比例する。
・ゆえに、両者の積は一定になるからである。
・これは、上記の式(1.22)のように、元素の違いに因る特性値が約分されて消える事と同じである。

物理機能モデルは物質を粒子と波動の性質を併せ持つものとして扱っている事から、量子力学でも適応出来ると言える。

Fig.20 原子量と熱エネルギEt、復元力F0の関係
横軸はいずれも原子量(gmol-1)である。
縦軸の比熱Cpと柔性HはFeを基準に比率としている。
・左上:比熱Cpは原子量に反比例する。
・右上:柔性Hは原子量に反比例する。
・左下:物質が蓄えている熱エネルギEtは原子量に反比例する。
・右下:式(1.22)で求めた物質内の復元力F0はほぼ一定である。
 ぴったり一定にならないのは比熱は実験から求められるゆえ。

もくじへ戻る

まとめ

物理機能モデル手法を用いて物質を伸縮するバネとしてモデル化する事により以下の知見が得られた。
物理機能モデルの基本要素はド・ブロイ波を発現させる事が出来る。
E = m・c2と対となる式、E = H・Fv2を仮定する事により物質の疲労破壊の仕組みを説明出来た。
Hは物質の柔性=剛性の逆数である。
Fvは物質を構成する原子同士を引き離す時の限界力である。
疲労破壊は塑性変形と永久歪の発現から始まり、これらを模擬する事が出来た。
塑性変形で消費されるエネルギの積算値はE = H・Fv2に等しい。
塑性変形の発現に必要な塑性抵抗が生じる仕組みを模擬した。
物質が疲労破壊を起こすまでの時間を物質の寿命と定義した。
寿命に達する時点で物質の質量と剛性は初期値から半減し、逆に柔性は倍増する。
物理機能モデルは物質を粒子と波動の性質を併せ持つものとして扱っている事から、量子力学に於いても適応出来る。

もくじへ戻る

脚注・参考文献

脚注:
[1]:機械学会交通物流部門 連続講習会No.12-5 資料
  "機械工学から見た相対性理論" 五十川晋一 著 2021年
[2]:機械の力学 長松昭男 著 朝倉書店刊 2007年
[3]:地殻破壊の前兆現象としての電磁放射の特性に関する研究 藤縄幸雄 著 1995年
[4]:研究ノート 力学の双対性から見たプランク定数 五十川晋一 著 2025年

参考文献:
・角田鎮男 ほか:製品開発のためのモデル化手法(展開と統合) 日本機械学会 [No.98 8]
 機械力学・計測制御講演論文集 98.8.17 20 ・札幌 )
・機械の力学 長松昭男 著 朝倉書店刊 2007年
・複合領域シミュレーションのための電気・機械系の力学 長松昌男、長松昭男 共著 コロナ社刊 2013年
・次世代のものづくりのための電気・機械一体化モデル 長松昌男 著 共立出版刊 2015年
・機械学会交通物流部門 連続講習会No.12-5 資料
 "機械ー電気の統合モデルによるモデルベース開発" 角田鎮男 著 2021年
 "機械工学から見た相対性理論" 五十川晋一 著 2021年
・機械学会交通物流部門 連続講習会No.22-80 資料
 "機械工学から見たブラックホール" 五十川晋一 著 2022年
・機械学会交通物流部門 連続講習会No.24-53 資料
 "物質の柔性が粒子と波動性に及ぼす影響"  五十川晋一 著 2024年
・ホーキング、宇宙を語る―ビッグバンからブラックホールまで  林一訳 ハヤカワ文庫NF  1995年
・タンパク質の音楽 深川洋一 著 ちくまプリマーブックス  1999年
・地殻破壊の前兆現象としての電磁放射の特性に関する研究 藤縄幸雄 著 1995年
研究ノート 力学の双対性から見たプランク定数 五十川晋一 著 2025年
・力学の双対性から見たエネルギ輻射 五十川晋一 著 2024.1.18(未公開)

もくじへ戻る

関連エッセイ:
研究ノート 光速に関する考察
研究ノート 力学の双対性から見たプランク定数
研究ノート 電子の2重スリット実験に関する仮説
研究ノート ド・ブロイ波は正弦波では無い
素粒子の質量はなぜ巾があるのか?
年頭所感:地球温暖化の仕組み
オーラの可視化
年頭所感:ランダムとは何か?
柔らかい力士とは?
二人のこころ模様
理性と感性の往来
年頭所感:ニュートンとフックはなぜ仲が悪かったのか?
相対性理論=双対性理論 愛とは何か?
年頭所感:双対ということ

無断転載は御遠慮願います。

ご質問、ご意見はこちらまで。

エッセイ目次に戻る