ראוי לחשוב על החומר כעל "אנרגיה קפואה". זוהי ההבנה המדהימה כי מסת נראית כדבר מוחשי, "דברים" שניתן להחזיק ביד, בעוד האנרגיה נראית כמושג מופט, משהו שלא ניתן לתפוס, כמו קרינה. במשוואה הפשוטה והמפורסמת של איינשטיין:
E = mc2
E מייצג אנרגיה ו- m מייצג מסה. ניתן ליצור אנרגיה ממסה באמצעות גורם ההמרה c. גורם ההמרה הוא קבוע אוניברסלי, מהירות האור. מאחר שמהירות האור היא מספר עצום, 300,000 ק"מ לשנייה, כמות זעירה של חומר שווה לכמות אדירה של אנרגיה.
כדי לחשב את מקדם ההמרה של מסה לאנרגיה, המדענים חייבים להשתמש בדרך עקבית ביחידות מידה. כאשר היחידות נמצאות במערכת המטרית הבין-לאומית (או מערכת ה- SI, מ Système Internationale, מכיוון שהיא פותחה בצרפת), המסה היא בקילוגרמים והאנרגיה בג'אול. מהירות האור היא 3×108 מטרים לשנייה. בואו ניקח בחשבון את צריכת האנרגיה הכוללת בשנה של כל האנשים בארצות הברית. זה בערך 8×1018 Joules (בהנחה שכל אדם מפעיל כעשר נורות כל הזמן, שכן זוהי חברה בזבזנית למדי). המסה שבה אגורה אנרגיה זו ניתנת על ידי העברת הגורם c2 לצד השני של המשוואה, כך m = E /c2. התוצאה היא:
m = (8×1018 Joules)/(3 x 108 m /s)2 = 88 kg
באדיבות NASA
האנרגית האגורה במסה שגודלה קילוגרם אחד היא 1017 ג'אול. מה המשמעות של המספר העצום הזה? זה אומר שאם היינו יכולים לשחרר את כל האנרגיה האגורה במסה המתאימה לאדם גדול, אנחנו יכולים לספק את צריכת האנרגיה של ארה"ב במשך שנה. בתהליך ההיתוך אנחנו מקבלים רק כ- 0.1% מהאנרגיה האגורה במסה, לכן יש במסה הגדולה פי אלף כדי לקבל את אותה כמות האנרגיה. המסה הגדולה עוד יותר היא רק 1000×88 ק"ג או בערך 100 טון, לעומת 2.2 מיליארד טון של דלקים כימיים הנצרכים בארה"ב כדי לשמור על תאורה וחימום הבתים והפעלת חברות ומפעלי תעשיה מדי שנה. מקורות האנרגיה הגרעינית יעילים פי 10 מיליון מאשר מקורות האנרגיה כימית.
הטיל סטורן V נשא אסטרונאוטים לירח. נדרשה רקטה, שגודלה כגודל בניין בן עשר קומות, כדי לשחרר מטען בגודל של מיני-ואן מכוח הכבידה של כדור-הארץ. למעלה מ -90% ממסת הרקטות כללו דלק נדיף הנחוץ כדי להאיץ את המטען. מקור האנרגיה היה אנרגיה כימית. אם מאידך, מקור האנרגיה היה אנרגיית מסה טהורה, היו נדרשים רק 10 גרם דלק כדי להגיע לירח. נאס"א היתה יכולה להמיר בניין בן עשר קומות המלא בדלק כימי בכמוסה המכילה דלק גרעיני!
הניגוד בין אנרגית המסה לאנרגיה הכימית יכול להיות ברור עם הדוגמה הפשוטה של המבורגר. המבורגר שמסתו רבע קילו הוא בעל ערך תזונתי של כ- 250 קלוריות, אשר x.250×4186 = 106Joules. זהי כמות האנרגיה הכימית שהגוף יכול לחלץ מההמבורגר. אם מיישמים את המשוואה לעיל עבור מסה של 0.25 ק"ג, אנרגית המסה של הבשר תהיה שקולה ל- 1016 ג'אול. לכן, אנו מצליחים לחלץ רק חלק אחד מ- 1010 (או עשרה מיליארד) מהאנרגיה האפשרית של המבורגר באמצעים כימיים. אם הגוף שלך יכול היה לחלץ את המסה אנרגיה, ניתן היה לחיות כל החיים באמצעות 1/30 גרם של מזון!
באדיבות וויקיפדיה
עכשיו דמיינו משהו קטן מאוד, כמו נקודה בסוף משפט בספר מודפס. הדיו באותה נקודה שוקל בערך 1/100,000 גרם או 10 מיקרוגרם. מהי כמות האנרגיה האגורה בחומר זה? נעזר במשוואה של איינשטיין מהדוגמה הקודמת. צריכת האנרגיה השנתית של ארצות הברית הייתה בערך8×1018 Joules, שהיא בערך 1019 ג'אול. אנחנו יכולים להסתייע בקיצור דרך, יש לשים לב כי 1/100,000 גרם הוא בערך 10 מיליארד (10-10) של כמות המסה בדוגמה הראשונה. אז שחרור האנרגיה מנקודת הדיו יצור 1010 / 1019 = 109 ג'אול. יחידת ההספק של אנרגיה נקראת וואט, לכבוד המדען הסקוטי המפורסם ג'יימס וואט וערכה ג'אול לשנייה. לכן נורה אופיינית צורכת כ- 100 וואט. אם בבית אופייני נצרכת אנרגיה בקצב של 10 קילוואט, או 10,000 ג'אול לשנייה, אז 109 ג'אול ייצרכו במשך 109/104 שניות. לו רק יכולנו להמיר את אנרגית המסה של נקודה בסוף המשפט לחשמל, האנרגיה שהנקודה יכלה לספק הייתה שווה לצריכת האנרגיה בבית משפחתי במשך יום אחד.
לבסוף, המשוואה פועלת בשני הכיוונים. עד כה דנו בכמות מסה קטנה ההופכת לכמות עצומה של אנרגיה. אבל האנרגיה שקולה גם למסה. פוטון הוא "חלקיק" של אור, ומשוואת איינשטיין מעניקה לו מסה זעירה. איינשטיין חשב על כך. אם כל גוף בעל מסה מרגיש את כוח הכבידה, אזי פוטונים צריכים גם הם להרגיש את כוח הכבידה. אם כוח הכבידה משנה את מסלול הגופים וגורם לסטייה במסלולם כאשר הם עוברים בסמוך לגוף מסיבי, אזי הגוף המסיבי צריך לשנות את מסלולו של פוטון. אם כוח הכבידה גורם לגופים לאבד אנרגיה כאשר הם נמלטים מהשפעתו של גוף מסיבי, אז פוטון צריך לאבד אנרגיה כאשר הוא עוזב גוף מסיבי. תובנות אלה הובילו את איינשטיין להישגו הגדול ביותר: תורת היחסות הכללית.
Author: Chris Impey