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Masse-Energie-Äquivalenz

Bereits in der Speziellen Relativitätstheorie zeigt sich, dass Masse und Energie letztendlich dasselbe sind. Jeder herkömmlichen Energieform entspricht eine Masse – wer einem Körper Wärmeenergie zuführt, der erhöht damit auch seine Masse. Bereits aufgrund ihrer Masse wohnt Materie eine große Energie inne die, beispielsweise, wenn ein Teilchen auf sein Antiteilchen trifft und die beiden sich in einem Blitz elektromagnetischer Strahlung vernichten, komplett in andere Energieformen umgesetzt werden kann.

Die Umrechnung von Massen in die entsprechenden Energien und umgekehrt beschreibt Einsteins berühmte Formel

E = mc² („E gleich m c-Quadrat“)

Dabei ist E die Energie, m die ihr entsprechende Masse und die Konstante c die Lichtgeschwindigkeit.

Zur Systematik der Atomkernbindungen – Grundlage von Kernfusion und Kernspaltung, die sich gemäß Einsteins Formel in den Massen der Atomkernen niederschlägt, gibt das Vertiefungsthema Ist das Ganze die Summe seiner Teile weitere Informationen; der Rolle, die Einsteins Formel bei Kernfusion und -spaltung spielt, ist das Vertiefungsthema Von E = mc² zur Atombombe gewidmet.

Definitioner

E gleich m c-Quadrat (E = mc²)

Siehe Masse-Energie-Äquivalenz.

Energie

Physikalische Größe, die sich dadurch auszeichnet, dass bei physikalischen Prozessen niemals Energie erzeugt oder vernichtet, sondern lediglich bestimmte Energieformen ineinander umgewandelt werden.

Beispiele für spezielle Energieformen sind Bewegungsenergie, Wärmeenergie und die Energie elektromagnetischer Strahlung.

Für Alltagsanwendungen ist dabei besonders interessant, dass bei Energieumwandlungen Arbeit verrichtet werden kann, wenn etwa elektrische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird (wie in einer elektrischen Lokomotive, die einen Zug in Bewegung setzt) oder in Wärmeenergie (wie in einer elektrischen Heizdecke).

Wichtige Aussage der Speziellen Relativitätstheorie ist, dass Energie und Masse einander komplett äquivalent sind - zwei Möglichkeiten, um letzendlich dieselbe physikalische Größe zu definieren. Siehe das Stichwort Masse-Energie-Äquivalenz.

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie trägt auch Energie zur Gravitationswirkung bei (siehe hierzu das Vertiefungsthema Masse und mehr).

Masse

In der klassischen Physik spielt die Masse eines Köpers drei Rollen gleichzeitig. Zum einen ist die Masse ein Maß dafür, wie leicht sich der Bewegungszustand eines Körpers ändern lässt ("träge Masse"). Fliegen an einem schwerelosen Raumfahrer ein Elefant und eine Maus vorbei, und gibt der Raumfahrer jedem der Tiere einen Schubs gleicher Stärke, dann ist der Umstand, dass die Maus ihre Flugrichtung und/oder Geschwindigkeit daraufhin sehr stark ändert, der Elefant dagegen kaum, sicheres Zeichen dafür, dass die Masse des Elefanten wesentlich größer ist als die der Maus. Zweitens ist die Masse ein Maß dafür, aus wieviel Materie ein Körper besteht. Atome ein und derselben Sorte haben dieselbe Masse, und die Gesamtmasse eines Körpers ergibt sich, indem man all die winzigen Massen seiner atomaren Bestandteile zusammenzählt. Drittens bestimmt die Masse gemäß dem Newtonschen Gravitationsgesetz, wie stark ein Körper andere Körper über die Schwerkraft anzieht und wie stark andere Massen ihn anziehen ("schwere Masse"). Auch in der Speziellen Relativitätstheorie lässt sich eine Masse definieren, die ein Maß dafür darstellt, wie stark sich der Körper Versuchen wiedersetzt, seinen Bewegungszustand zu ändern. Diese relativistische Masse ist allerdings davon abhängig, wie schnell sich der betreffende Körper gegenüber dem Beobachter bewegt (relativistische Massenzunahme). Ihren berühmtesten Auftritt hat diese Masse in der Formel E = mc² (Masse-Energie-Äquivalenz). Den kleinsten Wert hat die relativistische Masse eines gegebenen Körpers für einen Beobachter, der sich relativ zum Körper in Ruhe befindet. Dies ist die so genannte Ruhemasse des Körpers, und wenn etwa in der relativistischen Teilchenphysik von Masse die Rede ist, ist meist die Ruhemasse gemeint. Die Ruhemasse ist wie in der klassischen Physik eine Art Maß für den Materiegehalt des Körpers. Bei zusammengesetzten Körpern tragen nun aber beispielsweise die Energien der Bindungskräfte etwas zur letztendlichen Masse bei (wieder ein Beispiel für die Masse-Energie-Äquivalenz. In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Masse nach wie vor ein Maß für die Gravitationswirkung, die von einem Körper ausgeht; zusätzlich zur Masse tragen hier allerdings auch Größen wie Energie, Impuls und innerer Druck bei (siehe hierzu das Vertiefungsthema Masse und mehr). Die Maßeinheit der Masse im internationalen Einheitensystem ist das Kilogramm. Mit der Definition von träger und schwerer Masse - Masse als Trägheitsmaß und "Gravitationsladung" - und mit dem Zusammenhang dieser Definitionen mit dem so genannten Äquivalenzprinzip, einem der Ausgangspunkte der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie, beschäftigt sich das Vertiefungsthema Träge und schwere Masse.

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