The law of conservation of mass - Todd Ramsey

質量保存の法則―トッド・ラムゼイ

翻訳: Keiko Marutani 校正: Tomoyuki Suzuki

Where does all this stuff come from?

これらの物質は どこから来たのでしょう?

This rock?

この石は?

That cow?

あの牛は?

Your heart?

あなたの心臓は?

Not the things themselves, mind you, but what they're made of:

物質そのもののことではなく 全ての物質を構成しているもの―

the atoms that are the fabric of all things.

原子について尋ねています

To answer that question, we look to the law of conservation of mass.

この疑問に答えるために 質量保存の法則を考察していきましょう

This law says take an isolated system

この法則は孤立系―

defined by a boundary that matter and energy cannot cross.

物質もエネルギーも行き来できない 境界の内部として定義される系において

Inside this system, mass, a.k.a. matter and energy,

その孤立系の中にある質量 ― つまり物質とエネルギーは

can neither be created nor destroyed.

生成されることも 消滅することもないというものです

The universe, to the best of our knowledge,

私達が知っている限り

is an isolated system.

宇宙全体も１つの孤立系といえます

But before we get to that, let's look at a much smaller and simpler one.

しかしそちらを考察する前に ずっと小さく簡単な場合を考えてみましょう

Here we have six carbon atoms, 12 hydrogen atoms,

ここに炭素原子が6個 水素原子が12個

and 18 oxygen atoms.

そして酸素原子が18個あります

With a little energy, our molecules can really get moving.

わずかなエネルギーで これらの分子は動き始めます

These atoms can bond together to form familiar molecules.

原子同士が互いに結合して 身近な分子を作ることができます

Here's water,

水ができました

and here's carbon dioxide.

こちらは二酸化炭素です

We can't create or destroy mass.

質量は増えることも 減ることもありません

We're stuck with what we've got, so what can we do?

手持ちの原子でどうにかしなくてはいけません 他に何ができるでしょうか?

Ah, they have a mind of their own.

彼らにも独自の考えがあるようです

Let's see. They've formed more carbon dioxide and water, six of each.

ご覧ください　もっと二酸化炭素と水ができて ６個ずつになりました

Add a little energy, and we can get them to reshuffle themselves to a simple sugar,

もう少しエネルギーが与えられ 単糖類１個といくつかの酸素ガスに

and some oxygen gas.

作り変えられました

Our atoms are all accounted for: 6 carbon, 12 hydrogen, and 18 oxygen.

炭素６ 水素12 酸素18の原子が 全部使われています

The energy we applied is now stored in the bonds between atoms.

加えられたエネルギーは 原子の結合として保存されています

We can rerelease that energy

そのエネルギーは再度 放出することも可能です

by breaking that sugar back into water and carbon dioxide,

この糖を水と二酸化炭素に 戻せばいいのです

and still, same atoms.

そこにはまったく同じ原子がいます

Let's put a few of our atoms aside and try something a little more explosive.

いくつかの原子を取り除き 少し破壊的な実験をしてみましょう

This here is methane, most commonly associated with cow flatulence,

これはメタンです　牛の鼓腸症に 関連して良く知られています

but also used for rocket fuel.

ロケットの燃料にも使われています

If we add some oxygen and a little bit of energy,

酸素とエネルギーを少々加え―

like you might get from a lit match,

たとえばマッチで火をつけることで

it combusts into carbon dioxide, water and even more energy.

燃焼して 二酸化炭素と水が生成し さらに より多くのエネルギーが発生します

Notice our methane started with four hydrogen,

メタンには４個の水素が結合していましたが

and at the end we still have four hydrogen captured in two water molecules.

燃焼後も４個の水素が２個の水分子に くっついていることがわかります

For a grand finale, here's propane, another combustible gas.

最後になりますがプロパンがここにあります 別の燃焼性ガスですね

We add oxygen, light it up, and boom.

酸素を加えて火をつけてみましょう バン！

More water and carbon dioxide.

水と二酸化酸素が増えました

This time we get three CO2s

今回は二酸化炭素分子が３個になりました

because the propane molecule started with three carbon atoms,

プロパン分子には３個の炭素があって

and they have nowhere else to go.

これらは どこにも 逃げることはできないからです

There are many other reactions we can model with this small set of atoms,

同一の原子の組み合わせで他にも いろいろな変化をさせることができます

and the law of conservation of mass always holds true.

常に「質量保存の法則は真なり」なのです

Whatever matter and energy go into a chemical reaction

どんな物質やエネルギーも

are present and accounted for when it's complete.

化学反応を終えた後にも存在し 同じ分子が占めています

So if mass can't be created or destroyed,

質量が生成されたり 消滅されるたりすることがないのなら

where did these atoms come from in the first place?

これらの原子はもともと いったいどこから来たのでしょうか

Let's turn back the clock and see.

時計の針を戻してみましょう

Further, further, further, too far.

もっともっと ・・・ もう少し戻って下さい ずいぶん前です

Okay, there it is.

はい そこです

The Big Bang.

ビッグバンです

Our hydrogen formed from a high-energy soup of particles

宇宙の誕生後の３分間 粒子からなる―

in the three minutes that followed the birth of our universe.

高エネルギー状態のスープ状態から 水素が作られました

Eventually, clusters of atoms accumulated and formed stars.

最終的にはたくさんの原子が集まって 星を形成したのです

Within these stars, nuclear reactions fused light elements,

このような星の内部では 軽い元素―

such as hydrogen and helium,

水素やヘリウムなどが核融合を起こし

to form heavier elements, such as carbon and oxygen.

炭素や酸素のような より重い元素に作り替えられたのです

At first glance, these reactions may look like they're breaking the law

一見するとこの変化は 質量保存の法則に反しているようにも思えます

because they release an astounding amount of energy,

なぜならものすごい量のエネルギーを

seemingly out of nowhere.

どこからともなく放出しているからです

However, thanks to Einstein's famous equation,

しかしアインシュタインの 有名な方程式のおかげで

we know that energy is equivalent to mass.

エネルギーは質量と等価であるということが 分かっています

It turns out that the total mass of the starting atoms

反応前の原子の総質量は

is very slightly more than the mass of the products,

生成物の質量より ほんのわずかながら多いのですが

and that loss of mass perfectly corresponds to the gain in energy,

その差がエネルギーの増加分に ぴったり等しいのです

which radiates out from the star as light, heat and energetic particles.

このエネルギーは星から発せられる 光、熱や高エネルギーの粒子となります

Eventually, this star went supernova

最終的にはその星は超新星爆発を起こし

and scattered its elements across space.

作られた元素を宇宙にばらまきました

Long story short, they found each other and atoms from other supernovas,

手短に説明すると 他の超新星からも放出された原子が集まり

formed the Earth,

地球を形成し

and 4.6 billion years later got scooped up to play their parts

46億年後に この小さな孤立系の実験で

in our little isolated system.

個々の役割を果たしているのです

But they're not nearly as interesting as the atoms that came together to form you,

しかし原子が集まって 私達の身体や

or that cow,

例の牛や石を構成する原子ほど 興味深いものはありません

or this rock.

例の牛や石を構成する原子ほど 興味深いものはありません

And that is why, as Carl Sagan famously told us,

ですからカールセーガンの 有名な言葉にあるように

we are all made of star stuff.

「私たちは星の材料だけでできている」 のです