Valemi E = mc2 tähendus

Hulkade teadvuses on see valem Hirošimast peale ikka olnud seotud tuumaenergiaga. Ometi tuleb alla kriipsutada, et see valem kehtib ühtviisi kõikide energialiikide jaoks. Universaalne ja ainulaadne, on ta jõus nii lõkke kui tuumarelva puhul. Tuumaenergia erisus seisneb vaid selles, et see on ainus energialiik, mille puhul massimuutused on tegelikult märgatavad.

Kui vett soojendada külmumispunktist keemistäpini, kasvab tema mass vaid ühe sajamiljardiku ehk 10–11 osa võrra. Tavalises keemilises reaktsioonis, näiteks põlemisel, on põlemisproduktid kulutatud kütusest ja hapnikust kergemad miljardikosa (10–9) võrra. Nii väikesed muutused pole muidugi mõõdetavad. Hoopis ägedamates tuumareaktsioonides leiavad aset juba tuhandikulised massimuutused. Kui füüsikul on käepärast tuumamasside tabel, võib ta Einsteini valemi järgi ennustada, kui palju energiat vabaneb seni uurimata tuumareaktsioonides.

Tuumaenergeetika ja tuumarelvade arendamises oli otsustav tuumalõhustumise ahelreaktsioonide avastamine. Nendes vallandab iga lagunev tuum laguprotsessi mitmetes naabertuumades. Valem E = mc2 ei vihjanud üldse selliste reaktsioonide olemasolule. Pole tal tähtsust ka nende mõistmisel. Einsteinil polnud mingit osa ei tuumalõhustumise avastamises ega aatomipommi valmistamises, välja arvatud tema allkiri president Franklin D. Rooseveltile adresseeritud kirjal, mis hoiatas aatomipommi valmistamise võimalikkuse eest ja viitas Saksamaa pingutustele selle loomiseks. Kui selleks ajaks olnuks relatiivsusteooria veel loomata, poleks see tõenäoselt oluliselt pidurdanud Manhattani projekti edu.

Vahel peetakse seda valemit ekslikult energia massiks muundamise valemiks. Tegelikult on ta midagi enamat. Ta väidab, et praktiliselt kõikidel juhtudel on need kaks identsed. Kõikidel energiavormidel on ka mass ja see, mida tavatseme massiks kutsuda, nüüd siis seisumassiks, on vaid üks energiavorm. See on täiesti loomulik arendus XIX sajandi mõtetele energia säilivusest.

Kui näiteks lõke põleb kinnises kastis, mis omab täiuslikku soojusisolatsiooni, ei saa kasti kaal muutuda. Sellele vaatamata, et keemiline energia muundub soojuseks, mis esindab molekulide soojusliikumise energiat, ei muutu mass. Kui aga soojus kandub väljapoole, jääb kast õige pisut kergemaks.

Olgu massi ja energia ekvivalentsuse üldise kehtivuse viimaseks näiteks selle rakendus potentsiaalse energia juhul. Kui jõud seob kaht objekti, on nende ühendmass väiksem eraldi võetud masside summast. Negatiivne potentsiaalne energia ilmneb massidefekti kujul. Tuumaenergia tegelik allikas on nende võimsate jõudude potentsiaalne energia, mis seovad tuumaosakesi ühte. Suure nõrgalt seotud tuuma ümberkorraldus väiksemateks, kuid tugevamini seotud tuumadeks suurendab seosejõudu ja vähendab tuumade massi. Kuna see mass on ühtlasi välja energia, on ta ruumis jaotunud. Mida enam välja kontseptsioon füüsikas küpseb, seda enam lisandub talle omadusi, mida harjumuslikult seostame ainega.

Tüüpiline tuum "kaalub" umbes 0,8% vähem kui teda moodustavate osakeste masside summa. Aatomipommi õudustäratav vägi tuleb sellest, et raskeimad tuumad kaaluvad umbes 0,1% tuumaosakese kohta rohkem kui nende elementide tuumad, mis paiknevad perioodsustabeli keskosas, ja veel lõhustumisprotsessist, mis killustab teatavad rasked tuumad väiksemateks osadeks, kusjuures vabaneb tuhandikosa massist soojusena.

Väljaspool tuuma on massidefektid sootuks väiksemad. Näiteks kaalub vesinikuaatom ainult 1/600000 võrra vähem kui tema koostisosad prooton ja elektron kokku. Päikesesüsteem on umbkaudu triljondiku võrra kergem kui Päikese, planeetide ja teiste tema ümber tiirlevate kehade üksikmasside summa.

Energia ja massi ekvivalentsus illustreerib veel kord valguse kiiruse kui muundusteguri osa suuruste vahel, mida alul peeti täiesti erinevaiks. Oleks seda ekvivalentsust adutud algusest peale, polekski vahest kummagi jaoks eraldi ühikuid. Elementaarosakeste füüsikud kasutavadki päevast päeva massi jaoks energiaühikuid, sest gramm on nende jaoks päratu suur. Sellest seisukohast on c2 midagi taolist kui teisendustegur 0,621 kilomeetritest miilide saamiseks.

Kummatigi on valguse kiiruse ruut üpris suur teisendustegur. Energia ei kaalu palju. Et saada kilogramm energiat, läheb

džauli! Pommid,mis hävitasid Hirošima ja Nagasaki, kaotasid kumbki umbes ühe grammi massi, et teha oma pöörast purustustööd.

Üks kilogramm energiat on parasjagu niipalju, kui suuremad soojuselektrijaamad toodavad aastas soojusena. Elektriks muundub sellest umbes kolmandik. Tuumajaamas tuleb see kilo ligikaudu 1 tonni lõhustuva tuumakütuse kulutamisest. See tuleb omakorda kütusekomplektist, mis kokku kaalub umbes 50 tonni. Kivisöekütusel elektrijaam annab sama energiahulga ligemale miljoni söetonni varal, see teeb enam kui 150 kilomeetrit söeronge aastas.

Massi sõltuvus kiirusest oli üks esimesi relatiivsusteooria ennustusi, mis sai katsekinnituse. Elektronid on nii kerged, et neid on hõlpus ülinobedaks kiirendada. Teleri kineskoobis tormavad nad umbes veerandiga valguse kiirusest. Siis on nende mass ligi 3% suurem seisumassist. Pole raske saavutada ka kaugelt suuremaid kiirusi. Elektronide massi kasvu mõõdeti juba 1906. aastal. Energia ja massi seos tuumareaktsioonides leidis kinnitust 1932 esimesel tuumade tehislikul lõhustamisel.

Nüüdseks on kõik relatiivsusteooria väited eksperimentaalselt sedastatud. Elementaarosakeste füüsikud töötavad päevast päeva objektidega, mille kiirus läheneb valguse omale. Põrgetel toovad need osakesed ilmsiks kõikide Einsteini ennustuste paikapidavuse. Nii näiteks on mõned osakesed nii lühiealised, et lagunevad aja jooksul, mis kulub valgusel mõne sentimeetri katmiseks. Et nad aga liiguvad lähi-valguskiirustel, võivad nad raskusteta jõuda meetrite kaugusele tänu oma "sisekella" käigu aeglustumisele.

Osakese vaatekohast ei johtu see efekt ajakulu aeglustumisest, vaid laboratooriumi kokkutõmbest. Lõpptulemus on sama: nad jõuavad registreerimisseadmesse. Ja kui paigalseisus väga kerge osake tormab suure kiirusega, toimib ta põrgetel raske partiklina. Osakese kiirenemisel saadud lisamass võib kuluda uute osakeste tekitamiseks, mida enne olemaski polnud.

Relatiivsusteooria lõppvõiduks oli Faraday ja Maxwelli töö lõpetamine elektri ja magnetismi ühendamisel. Einstein näitas, et kui liikuv vaatleja seirab puht-elektrivälja, ilmneb magnetväli, ja vastupidi, kui liikuvast vaatepunktist vaadelda magnetvälja, tekib elektriväli.