בשנת 1905, מדען צעיר בשם אלברט איינשטיין הפתיע את העולם המדעי בסדרת מאמרים שעסקו באופי המסה, האנרגיה והזמן. הייתה זו הרחבה של רעיונות מדענים קודמים, הוא הניח כי מהירות האור היא בעלת ערך מוחלט בכל מערכות הייחוס. באופן עמוק יותר, הוא הציע כי מהירות האור היא קבוע אוניברסלי, בעל אותו ערך ללא קשר לתנועה של האדם הפולט או קולט את האור. מכאן הוא הסיק כי ניתן להמיר מסה לאנרגיה, או אנרגיה למסה. בחיי היומיום, המסה והאנרגיה נראים שונים למדי ותהליך מדהים זה אינו ניכר. עם זאת, פיזיקאים בוחנים אותו באופן שגרתי כאשר חלקיקים זעירים מואצים במהירויות גבוהות מאוד.
ב- 1915 – תורת היחסות הכללית.
באדיבות pixabay.com
איך יכול להיות שמהירות האור תמיד קבועה? פרוש הדבר כי המסה של חלקיק מואץ המתקרב למהירות האור עולה ככל שהוא מתקרב למהירות האור. האפקט זה בא לידי ביטוי רק במהירויות גבוהות מאוד. אנרגיה הופכת למסה. כזכור לגוף מסיבי יותר יש התמדה גבוהה יותר ולכן הוא מתנגד לכל שינוי במהירות שלו. אבל כאשר חלקיק זעיר מואץ קרוב יותר ויותר למהירות האור, האנרגיה המוענקת לו תורמת בעיקר להגדלת המסה שלו ופחות להגברת מהירותו. האנרגיה הקינטית הופכת למסה. החלקיק נעשה כבד יותר ומתקרב אל מהירות האור, אבל אף פעם לא מגיע אליה. תהליך זה פועל גם הפוך: חלקיקים יכולים להמיר מסה לאנרגיה טהורה. הצורה הדרמטית ביותר היא כאשר חלקיק ואנטי-חלקיק נפגשים, כמו אלקטרון ופוזיטרון. כשזה קורה, שניהם נעלמים והמסה המשולבת שלהם הופכת לאנרגיה טהורה!
יש כמות מופלאה של אנרגיה הקשורה אפילו בכמויות זעירות של חומר רגיל. בדרך כלל, האנרגיה הזאת שוכנת בבטחה כמסה מוכרת של חפצים יומיומיים. אנרגיה זו יכולה להיות משוחררת בשתי דרכים. בתהליך אחד, יסודות כבדים באופן טבעי יכולים לפצל את הגרעינים שלהם ולשחרר אנרגיה. זהו ביקוע גרעיני. בני אנוש למדו לטהר ולרכז את היסודות הנדירים הללו ולרתום את מקור האנרגיה הזה לצרכיהם. התהליך השני כרוך במיזוג גרעיני של יסודות קלים. כאשר מתלכדים גרעיניי אטומיים, אחוז קטן של המסה משוחרר בצורת אנרגיה הקורנת בתהליך שנקרא המרת מסה לאנרגיה. זהו היתוך גרעיני.
הגרעין של האטום מכיל מקור אנרגיה מדהים. המסה והאנרגיה קשורים למשוואה המפורסמת והפשוטה של איינשטיין E = mc2. כאשר c הוא מספר גדול מאוד, כך שכמות קטנה של המסה שווה כמות פנטסטית של אנרגיה. האנרגיה "הקפואה" במסה של אדם מבוגר די בה כדי לספק את כל צרכיי האנרגיה של ארצות הברית במשך שנה. נשווה זאת לאנרגיה שניתן לקבל מאותה מסת דלק, כנראה תספיק כדי להפעיל מכונית אחת במשך חודש, או לחמם בית אחד במשך שבוע. איינשטיין הטיל ספק בכך שיהיה אי-פעם שימוש מעשי בסוג זה של אנרגיה. למרבה הצער, העולם מלא בנשק גרעיני, הוא טעה.
לשוויון בין המסה לאנרגיה יש כמה השלכות עמוקות על האופן שבו אנו מסתכלים על העולם הפיזי. ניתן לאחסן אנרגיה בצורות שונות. המסה היא עוד אחת מהצורות האלה. אנחנו יכולים להשוות זאת לאנרגיה פוטנציאלית שכן הוא בדרך כלל אגורה בחלקיקים יציבים. עם זאת, בתנאים קיצוניים מסוימים ניתן לשחרר את האנרגיה האגורה במסה. המשוואה E = mc2 פועלת בשני הכיוונים. בדיוק כמו שמסה יכולה להיחשב צורה של אנרגיה, כך האנרגיה יכולה להיחשב צורה של מסה. למכונית הנעה במהירות יש מסה גדולה במקצת מאשר מכונית נייחת. בסוללה ריקה יש קצת פחות מסה מאשר בסוללה הטעונה לחלוטין. השפעות אלה הן זעירות מפני שגודל המסה שווה לאנרגיה חלקי C2, שהוא מספר קטן מאוד. אבל זהו ערך אמיתי לחלוטין. לבסוף, כאשר אנו מיישמים את חוק שימור האנרגיה, אנחנו חייבים לכלול גם את אנרגית המסה.
Author: Chris Impey