Mass ja energia kui mateeria hulga mõõdud

Varasemast teame, et füüsika poolt uuritavad objektid võivad olla ainelised ja väljalised. Ainelised ja väljalised objektid kokku moodustavad reaalse mateeria, mis ei sõltu inimeste teadvusest.

Aine tunnuseks on see, kehadel on kindlad ruumimõõtmed ja nad koosnevad osakestest. Ainelisi kehi iseloomustavateks suurusteks on näiteks mass ja ruumala. Mida suurem on keha, seda rohkem on ainet (aineosakesi) ning seda suurem on mass.
Mass on ainelise mateeria hulga mõõduks.

Väljalised objektid on seotud vastastikmõju ning energia. Me teame, et valgus on väljaline ning ka seda, et valgus kannab endaga energiat. Valgus soojendab kehi, milles ta neeldub ning valguse energiat saab kasutada näiteks päikesepatereisid kasutades. Mida rohkem on valgust, seda rohkem on ka valguse energiat.
Energia on väljalise mateeria hulga mõõduks.

Massi ja energia samaväärsus

Meenutame mõttekäiku, mis selgitas vankri lükkamisel kiiruse kasvamisega kaasnevat massi kasvamist. Vankri lükkamisel tehakse tööd. Vastavalt energia jäävuse seadusele suurendab vankri lükkamisel tehtav töö vankri energiat.

Liikuva vankri energia on kineetiline ja selle hulk on määratud vankri massi ja kiirusega. Mida rohkem lükkame, seda suuremaks vankri kineetiline energia kasvab. Kui aga lükkamise tagajärjel hakkab kiirus juba valguse kiirusele lähenema, kasvab kiirus vaatamata lisatavale energiale järjest vähem. Lõpuks jõuame olukorrani, kus vaatamata lükkamise teel energia juurdeandmisele jääb kiirus praktiliselt muutumatuks. Kuhu siis energia vankris koguneb kui mitte kiiruse kasvamisse? Vastus on lihtne: kuna suurel kiirusel hakkab kasvama keha mass, siis järelikult suurendab antav energia vankri massi. Näeme, et energia salvestub lisamassina.

Sama järelduseni jõudis relatiivsusteooria välja töötanud Einstein. Teooria näitas, et mass ja energia pole kaks eri liiki objekte kirjeldavat erinevat suurust, vaid on tegelikult teineteisega väga lähedalt seotud. Enamgi veel — mass ja energia on üks ja sama! Nad on ühe ja sama füüsikalise maalma — mateeria — kahe erineva avaldusvormi väljendused. Mass väljendab ainet ja energia väljendab väljasid.

Relatiivsusteooriast selgub, et mass ja energia on ekvivalentded ehk samaväärsed. Massi ja energia ekvivalentsust väljendab kõigi aegade kuulsaim füüsikavalem

                                                    E = mc².

Massi ja energia ekvivalentsusest tulenevad näiteks sellised eksperimentaalset kinnitust leidnud nähtused, kus valgus muutub aineosakesteks ning vastupidi — aineosakesed hävinevad kohtumisel ning muutuvad valguseks.

Tuumaenergia

Kuna massi ja energia ekvivalentsuse valemis sisalduv valguse kiiruse ruut on hiiglaslikult suur arv, on aines talletuv energia hiiglasuur. Kui ühe grammise massiga ainekogus õnnestuks jäägitult üle viia väljalisse vormi, vabaneks sama palju energiat, kui saaksime 3000 tonni kivisöe põlemisel. Viiskümmend 60-tonnise vaguni täit kivisütt on samaväärne ühe grammiga!

Ainelise mateeriavormi väljaliseks üleminekul vabanevat energiat tunneme kui tuumaenergiat. Tuumareaktorites saadakse energiat just tänu sellele, et uraanituumade pooldumisel muutub osa tuumade massist energiaks.

Veel rohkem energiat vabaneb reaktsioonises, kus vesiniku aatomituumad liituvad ja tekib heelium. Selline reaktsioon toimub meie Päikese ja kõigi teiste tähtede sisemuses. Päikese hõõgumine on kinnituseks, et vaatamata raskesti usutavusele maksab relatiivsusteooriat siiski tõsiselt võtta.