Ühes Albert Einsteini 1905. aastal avaldatud revolutsioonilises teadusartiklis võeti kasutusele E=mc2; kus E on energia, m on mass ja c on valguse kiirus vaakumis. Sellest ajast alates on E=mc2-st saanud üks kuulsamaid võrrandeid maailmas. Isegi inimesed, kellel pole füüsikat, on võrrandist vähemalt kuulnud ja on teadlikud selle tohutust mõjust maailmale, kus me elame. Enamik inimesi ei tea aga täpselt, mida see võrrand tähendab. Lihtsamalt öeldes esindab võrrand energia ja aine korrelatsiooni: sisuliselt on energia ja aine vaid ühe ja sama asja kaks erinevat vormi. See suhteliselt lihtne võrrand on muutnud seda, kuidas me energiast mõtleme, ja pakkunud meile arvukalt tehnoloogilisi edusamme.
1
Määratlege võrrandi muutujad. Esimene samm mis tahes võrrandi mõistmiseks on teada, mida iga muutuja tähistab. Sel juhul on E objekti energia puhkeolekus, m on objekti mass ja c on valguse kiirus vaakumis. Valguse kiirus c on kõigis võrdluskaadrites konstantne ja on ligikaudu 3,00×108 meetrit sekundis. Einsteini relatiivsusteooria kontekstis toimib c2 pigem ühikute teisendusteguri kui konstantina. Sellisena on see mõõtmete analüüsi tulemusena ruudus – energiat mõõdetakse džaulides ehk kg m2 s-2, seega c2 lisamine tagab energia ja massi vahelise seose mõõtmete järgi.
2
Saage aru, mida mõeldakse energia all. Energiat on palju, sealhulgas soojus-, elektri-, keemia-, tuumaenergia ja palju muud. Energia kandub üle süsteemide vahel, andes ühele süsteemile toite, võttes samal ajal selle teiselt ära. Energiat ei saa luua ega hävitada, see võib võtta vaid erineva kuju. Näiteks kivisöel on palju potentsiaalset energiat, mis muutub põletamisel soojusenergiaks.
3
Määrake, mida mass tähendab. Massi defineeritakse üldiselt kui aine hulka objektis. Massile on ka mõned muud määratlused. On olemas “invariantne mass” ja “relativistlik mass”. Invariantne mass on mass, mis jääb muutumatuks olenemata sellest, millises võrdlusraamistikus te viibite. Relativistlik mass aga sõltub objekti kiirusest. Võrrandis E = mc2 tähistab m muutumatut massi. See on väga oluline, sest see tähendab, et vastupidiselt levinud arvamusele ei kasva teie mass kiiremini liikudes. Oluline on mõista, et mass ja kaal on erinevad. Kaal on objekti poolt tajutav gravitatsioonijõud, mass aga aine kogus selles objektis. Mass saab muutuda ainult siis, kui objekti füüsiliselt muudetakse, samas kui kaal muutub sõltuvalt keskkonna raskusastmest, milles objekt asub. Massi mõõdetakse kilogrammides (kg), samas kui kaalu mõõdetakse njuutonites (N). Sarnaselt energiaga ei saa ka mass luua ega hävitada, kuid see võib ka vormi muuta. Näiteks jääkuubik võib sulada vedelikuks, kuid selle mass on mõlemas olekus siiski sama.
4
Mõista, et mass ja energia on samaväärsed. Võrrandis öeldakse, et mass ja energia on üks ja sama asi, ja ütleb teile, kui palju energiat teatud massikogus sisaldab. Põhimõtteliselt selgitab võrrand, et väike kogus massi on täis suures koguses energiat.
5
Mõista, kust kasutatav energia pärineb. Suurem osa meie tarbitavast energiast pärineb kivisöe ja maagaasi põletamisest. Nende ainete põletamisel kasutatakse ära nende valentselektrone (paarimata elektronid aatomi välimises kestas) ja sidemeid, mida nad loovad teiste elementidega. Soojuse lisamisel need sidemed katkevad ja vabanevat energiat kasutatakse meie kogukondade toiteks. Sel viisil energia hankimine ei ole eriti tõhus ja on keskkonnale kulukas.
6
Energia muundamise tõhusamaks muutmiseks rakendage Einsteini võrrandit. E = mc2 ütleb meile, et aatomi tuumas on palju rohkem energiat kui selle valentselektronides. Aatomi lõhenemisel vabanev energia on palju suurem kui elektronsidemete purunemisel. Tuumaenergia põhineb sellel põhimõttel. Tuumareaktorid põhjustavad lõhustumist (aatomite lõhenemist) ja hõivavad tohutu hulga vabanenud energiat.
7
Avastage tehnoloogiad, mida võimaldab E=mc2. E=mc2 on võimaldanud luua palju uusi ja põnevaid tehnoloogiaid, millest osadeta me ei kujutaks ettegi elamist:PET-skaneeringud kasutavad keha sees nägemiseks radioaktiivsust.Võrrand võimaldas arendada telekommunikatsiooni satelliitide ja kulguritega.Raadiosüsinik dateering kasutab võrrandil põhinevat radioaktiivset lagunemist iidsete objektide vanuse määramiseks.Tuumaenergia pakub meie ühiskonnale puhtamaid ja tõhusamaid energiaallikaid.