27 września 1905 r. Albert Einstein sformułował słynne równianie dotyczące równoważności masy i energii. 115 lat później warto się zastanowić, czy faktycznie obowiązuje ono w każdych warunkach.
Albert Einstein jest uważany za jednego z najwybitniejszych fizyków wszech czasów. Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z 1921 r., twórca szczególnej teorii względności i autor wynikającego z niej równania E=mc2. Jego ogólna teoria względności jest uważana za jeden z największych przełomów w fizyce XX wieku. Einstein opublikował ponad 450 prac, w tym co najmniej 300 naukowych.
Cudowny rok Einsteina
Rok 1905 r. jest uważany za „cudowny rok” Einsteina. To właśnie wtedy, w publikacji „Zur Elektrodynamik bewegter Körper”, uczony wprowadził zupełnie nową teorię zwaną szczególną teorią względności. To właśnie na tej podstawie Einstein sformułował słynny wzór E=mc2, który obrazuje równoważność masy i energii.
Einstein twierdził, że równanie równoważności ma kluczowe znaczenie, gdyż wskazuje, że dana cząstka posiadająca masę, ma energię „spoczynku” zwaną „wewnętrzną”. Był to nowy rodzaj energii, różniący się od znanych wcześniej energii kinetycznej i potencjalnej.
Einstein napisał:
Jeżeli ciało odda energię L w postaci promieniowania, jego masa zmniejszy się o L/c2… Jeżeli teoria jest prawdziwa, to promieniowanie przenosi inercję (bezwładność) między ciałem emitującym i absorbującym energię.
Obserwacja ta była niezwykle trudna do zrozumienia, stąd wzmianka o prawdziwości. Einstein twierdził, że masa cząstki musi być niezmienna i niezależna od prędkości.
Co ciekawe, mimo iż Albert Einstein był pierwszym, który sformułował równoważność masy i energii, nie był pierwszym, który powiązał masę z energią. Wszyscy jego poprzednicy uważali, że energia wchodząca w skład masy ma postać pola elektromagnetycznego. Einstein swoim równaniem i szczególną teorią względności udowodnił, że tak nie musi być.
Co oznacza E=mc2?
Wzór E=mc2, który jest także nazywany równaniem Einsteina, jest prawdopodobnie najsłynniejszą formułą fizyczną na świecie. Co tak naprawdę oznacza?
Równoważność masy i energii to koncepcja, zgodnie z którą masa obiektu lub układu jest miarą zawartej w nim energii. Mówiąc wprost: masa wszystkich obiektów we Wszechświecie jest powiązana z ich energią – nie może wyparować czy zniknąć, może tylko zamienić się na energię.
We wzorze E=mc2, „E” oznacza energię, a „m” masę, czyli miarę ilości materii. Energia i materia są wymienne. Trzeba pamiętać, że ilość energii/materii we Wszechświecie jest ograniczona i jasno określona. Mimo iż suma materii i energii jest stała, dochodzi do regularnych przemian – energii w materię i odwrotnie.
Po co zatem w równaniu c2? Samo „c” oznacza prędkość światła – uniwersalną stałą. W całym równaniu Einsteina są zatem tylko dwie zmienne: wspomniane „E” i „m”. Energia jest równa materii pomnożonej przez prędkość światła do kwadratu. Dlaczego trzeba wykonać takie działanie? Powodem jest to, że energia (promieniowanie) przemieszcza się z prędkością światła, czyli 300 000 km/s. Kiedy rozbijemy atom wewnątrz elektrowni jądrowej lub bomby atomowej, otrzymana energia uwalnia się z prędkością światła.
Skąd zatem „kwadrat” w równaniu? Powodem jest to, że energia kinetyczna, czyli energia ruchu, jest proporcjonalna do masy. Kiedy przyspieszamy jakiś obiekt, energia kinetyczna wzrasta do poziomu kwadratu prędkości. Doskonały tego przykład znajdziemy w każdym podręczniku do fizyki: jeżeli podwoimy prędkość samochodu, droga hamowania będzie czterokrotnie dłuższa, więc droga hamowania będzie równa kwadratowi prędkości.
Kwadrat prędkości światła to gigantyczna liczba, ilustrująca, ile energii znajduje się w nawet najmniejszych ilościach materii. Typowym przykładem jest to, że 1 gram wody – jeżeli cała jej masa zostanie zamieniona na czystą energię – zawiera aż 20 000 ton trotylu. Dlatego właśnie tak mała ilość uranu lub plutonu może spowodować potężną eksplozję nuklearną.
Równanie Einsteina otworzyło drzwi dla wielu osiągnięć technologicznych – od energii jądrowej i medycyny nuklearnej po mechanizmy odpowiadające za funkcjonowanie Słońca. 115 lat od jego sformułowania, wzór E=mc2 pokazuje nam, że materia i energia to jedno.
