Einstein 1905 yılında yazdığı makaleyle özel göreliliği fiziğe kazandırmıştı. Bu kuramın en ünlü sonuçlarından biri kütle ile enerjinin eşdeğerliğiydi: E = mc2. Einstein’a kadar bir cismin kütlesi sadece o cisimdeki madde miktarının ölçüsü olarak görülüyordu. 1905’ten sonra kütle cismin enerji içeriğinin de ölçüsü olmuştur. Hareketsiz halde duran bir cisim, bir kütle enerjisine sahiptir. Bu denklemdeki c, iki kavramı (enerji ve kütle) birleştiren evrensel ışık hızı sabitidir, ki ışığın hiçbir rol oynamadığı süreçlere bile dahildir artık.
Günlük hayatta neden algılayamıyoruz?
Peki, gündelik hayatta kütle ile enerji arasındaki bu eşdeğerliği neden algılayamıyoruz? Çünkü ışık hızı çok yüksek bir değerdedir (saniyede 300 bin km). Küçük bir kum tanesi bile kütlesinde devasa boyutlarda enerji içerdiği halde bu enerji gizlidir, kum tanesinin atomlarının içindeki çekirdekte saklıdır. Örneğin evlerimizdeki ampuller enerji saçarlar ve dolayısıyla kütle kaybederler. Ancak ışık hızının karesi o kadar büyüktür ki, ampul binlerce yıl yansa bile kütle kaybı çok çok küçük miktarlarda kalır. Diğer bir deyişle, günlük hayatımızdan bir nesnenin kütle enerjisi o kadar büyüktür ki o nesneyi hızlandırarak veya ısıtarak yaratabileceğimiz enerji farkı, bu nesnenin kütle enerjisine kıyasla çok küçük kalır.
Nükleer santrallerde kütleden enerji elde edilir. Örneğin uranyum atomlarındaki çekirdekler nötronlarla bombardıman edildiğinde bozunarak iki parçaya ayrılırlar. Bu iki parçanın kütlelerinin toplamı, başlangıçtaki çekirdeğin kütlesinden daha azdır. Aradaki fark nükleer enerjidir ve ısı enerjisi halinde kullanılır, örneğin elektrik üretmek için türbinleri döndürmeye yarar. Bu sürece fisyon (yani parçalanma) denir. Diğer bir nükleer enerji biçimi füzyondur (birleşme). Örneğin Güneş bir füzyon merkezidir. Hafif elementler birleşerek daha ağır elementleri ortaya çıkarır. Bu süreçte yine enerji elde edilir, dolayısıyla güneşimiz parlar.
Tersine, enerjinin kütleye dönüştüğü durumlar da vardır. Parçacık hızlandırıcılarında ışık hızına yakın hızlara çıkarılmış parçacıklar çarpıştırıldığında, kendilerinden daha büyük kütleli parçacıklar üretebilirler. Eğer bu olguyu gündelik hayatta görebilseydik, iki bisikletin çarpışmasından büyük otobüslerin çıkmasına şahit olmamız gerekirdi. Ancak bunu gözlemlemiyoruz çünkü bisikletler ancak çok düşük hızlarda çarpışıyorlar.
CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısında (LHC) protonlar çok büyük kinetik enerji kazandırılarak çarpıştırılır. Bir parçacığın momentumu, dalga boyu ile ters orantılıdır. Parçacık hızlandırıcıları, bir parçacığın momentumunu artırmak, dolayısıyla dalga boyunu azaltmak için kullanılır. Dalga boyu ne kadar küçük olursa, hedef hakkında o kadar çok bilgi edinilebilir. Hızlandırıcıda çarpıştırılan parçacıklar kazandıkları kinetik enerji ile yeni parçacıklar oluştururlar. Bu sayede ağır kararsız parçacık yaratılabilir ve özellikleri incelenebilir, parçacık bozunum ürünleri incelenerek bunlardan parçacıkların varlığı anlaşılabilir.
Enerji yoğunlaşması
Günlük hayatta çok düşük hızlarda karşılaştığımız için kütle enerjisini pek algılamayız ama enerjinin diğer biçimlerini görürüz. Tarihsel olarak enerji kavramı termodinamikteki iş kavramından kaynaklanır. Bir sistemin iş yapma yetisi enerji olarak adlandırılır. Termodinamikte sistem herhangi bir şey olabilir: bir kap su, güneş sistemi ya da bir kiremit parçası eğer ilgi odağımızdaysa buna sistem deriz. Geri kalan her şeyse çevredir. Sisteme madde eklenebiliyor veya sistemden madde çıkarılabiliyorsa, sistemin açık olduğu söylenir, aksi halde o sisteme kapalı sistem denir. Kapağı kapalı bir tencere kapalı bir sistemdir. İşte böyle bir sistem iş yaptığı zaman enerji harcanmış olur. Bir kova sıcak suyun bir kova soğuk sudan daha büyük enerjisi vardır. Termodinamiğin birinci yasasına göre kapalı bir sistemde enerji korunur; enerji bir türden diğerine dönüşebilir ama toplam enerji miktarı aynıdır.
Deniz suyunun ısısı bir litre kaynamış suya oranla kat kat fazladır. Çünkü ısı bir enerji ölçüsüdür ve deniz suyunun muazzam miktardaki kütlesinin içerdiği enerji bir litre kaynamış suyun enerjisinden milyarlarca kez daha büyüktür. Böyle olduğu halde başımızdan aşağı bir litre kaynamış su döktüğümüzde haşlanırız da denize girdiğimizde hiçbir şey hissetmeyiz. Hatta deniz suyunun sıcaklığı düşükse üşürüz. Bunun nedeni denizin ısısının dağılmış durumda olmasıdır. Oysa bir litre kaynamış suyun ısısı (yani enerjisi) küçük bir alanda yoğunlaşmıştır. Öyleyse önemli olan enerji miktarı değil, enerjinin yoğunlaşma derecesidir.
Enerjinin maddeye dönüşmesi
Enerji yeteri derecede yoğunlaştığındaysa maddeye dönüşür. Bir başka deyişle, maddenin enerjisini yeterli oranda artırdığımızda o maddenin kütlesi enerjiye dönüşür. Küçük bir kıvılcım yaklaşık 1000 C derece sıcaklığa sahiptir. Aslında enerjisi çok küçüktür, ama yoğunlaşmış durumda olduğundan bizim görebileceğimiz düzeyde ışık üretir. Bu küçük kıvılcımın enerjisini çok küçük bir hacimde yoğunlaştırırsak onu kütleye dönüştürürüz. Einstein’ın özel görelilik kuramının bir sonucu olan bu durum deneylerle ispatlanmıştır. Parçacık hızlandırıcılarında yapılan deneylerde iki parçacık (örneğin iki proton) ışık hızına yakın hızlarda hızlandırıldıktan sonra çarpıştırılır ve yoğunlaşan enerjiden yeni parçacıklar elde edilir.
Günlük dilde şu üç kavram genellikle karıştırılır: enerji, ısı ve sıcaklık. Isı hem bir fiil olarak hem de isim olarak kullanılır. Isınmak, ısı akışı vs. gibi… Oysa termodinamikte ısı bir enerji şekli değildir. Isıyı “enerji aktarımı biçimi” olarak tanımlarız fizikte. Isı bir madde veya bir varlık da değildir, sadece bir sürecin adıdır. Eski zamanlarda ısı, farklı sıcaklıktaki nesneler arasında akan bir tür akışkan olarak düşünülmüştü. Hâlâ bu yanlış anlaşılma devam etmektedir. Gerçekteyse enerji sıcaklık farkının bir sonucu, ısı olarak aktarılır.
