Was bedeutet E=mc²?

Weil vielleicht nicht jeder weiß, was die einzelnen Buchstaben bedeuten, hier einmal die Gleichung in ausführlich gesprochener Form: Energie ist gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat. Das E steht also für die Energie, das m für die Masse und das c ist die Lichtgeschwindigkeit. Die Formel besagt, dass Masse nichts anderes ist als Energie, lediglich in einer anderen Erscheinungsform.

Energie kann in Masse umgewandelt werden und umgekehrt. Mit den Begriffen muss man hier ein wenig aufpassen, denn in der Masse ist ja schließlich diese ursprüngliche Energie immer noch vorhanden. Sie ist also nicht weg, sondern hat lediglich eine andere Erscheinungsform angenommen. Wenn man wissen möchte, wieviel Meter ein Kilometer hat, benutzt man den Umrechnungsfaktor 1000. Wenn man wissen will, wieviel Energie in einer bestimmten Materiemenge steckt, benutzt man den „Umrechnungsfaktor“ Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat. Genau das sagt die Formel aus: Energie ist das gleiche wie Masse multipliziert mit dem "Umrechnungsfaktor" Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat. Die Lichtgeschwindigkeit ist natürlich kein einfacher Umrechnungsfaktor, aber dieses Beispiel sollte einfach nur eine kleine Vorstellung davon geben, wie Masse und Energie miteinander zusammenhängen.

 
E=mc²: Materie und Energie können ineinander umgewandelt werden, es handelt sich um zwei Erscheinungsformen eines übergeordneten Gebildes.

E=mc²: Materie als geronnene Energie

Aber jetzt mal von vorn. Wie kann man sich das denn vorstellen, Energie und Materie können ineinander umgewandelt werden? Wie ist das gemeint, dass Energie und Materie zwei Erscheinungsformen eines übergeordneten Gebildes sind? Um die beiden Fragen zu klären, stelle man sich mal ein kleines Wassermolekül vor, besser gesagt einen ganzen Haufen davon. Diesem Haufen machen wir jetzt mal richtig Dampf: wir erhitzen ihn solange, bis er eine gasförmige Struktur annimmt, eben zu Wasserdampf wird. Dieser Dampf soll jetzt nach oben strömen und dort auf eine kalte Glasplatte treffen. Durch die Kälte kondensiert der Dampf, unterhalb der Glasplatte bilden sich Wassertröpfchen.

Was lernen wir daraus? Ganz einfach: Wasserdampf und Wassertropfen sind 2 Erscheinungsformen ein und derselben Sache, nämlich einem Haufen Wassermoleküle. Die Umgebungsbedingungen entscheiden dann, welche Erscheinung zutage tritt. Kein Mensch würde auf die Idee kommen zu sagen, dass Wasserdampf und flüssiges Wasser überhaupt nichts miteinander zu tun hätten. Jetzt zurück zu Masse und Energie: Hier verhält sich das mit den Erscheinungen ganz ähnlich: So wie ein Wassertropfen nichts anderes ist als kondensierter Wasserdampf, ist Materie nichts anderes als geronnene Energie. Für uns schwer vorzustellen, da wir mit dem Begriff der reinen Energie bildlich nichts anfangen können. Darum sollte hier der Wasserdampf als Vergleich herhalten. Auch er ist, genau wie Energie, nicht richtig greifbar.

 
Ein Wassertropfen ist kondensierter Wasserdampf. In der Physik ist es ähnlich: Materie ist erstarrte Energie.

E=mc²: Keine Spur von Chemie

Bevor es zu den gigantischen Energiemengen geht, die Materie in sich speichert, muss noch kurz etwas gesagt werden: Die Energie, die die Materie laut E=mc² in sich birgt, hat natürlich nichts mit einer klassisch-chemischen Energie zu tun. Man könnte sich ja vielleicht sagen: „Klar, die Formel ist simpel: Jedes Mal wenn ich ein Stück Holz verbrenne, entsteht Hitze. Und letztlich ist vom Holz nichts mehr übrig. Ich hab die Holzmasse in Energie umgewandelt.“ Das ist natürlich Unfug. Hätte man wirklich die ganze Holzmasse laut E=mc² in Energie umgewandelt, würde vom Grillplatz nichts mehr übrig sein. Das Verbrennen von Holz oder anderen Dingen beruht auf chemischen Vorgängen, es finden hauptsächlich Stoffumwandlungen statt, bei denen Wärmeenergie frei wird. Auch ist die Holzmasse nicht verschwunden, sie befindet sich im Rauch bzw. in den Gasen, die bei der Verbrennung entstehen. Die Umwandlung von Materie in Energie bei E=mc² ist prinzipieller Natur und hat nichts mit einem chemischen Umwandlungsprozess zu tun.

Materie als Energiespeicher

Hang zum Größenwahn: Um sich die gigantische Energiemenge der Materie, die mit E=mc² in ihr gespeichert ist, mal klar zu machen, braucht man entweder einen Taschenrechner oder jemanden, der da schon mal was vorbereitet hat: Ein Kilogramm Materie kann man sich noch gut vorstellen, 1 Liter Wasser beispielsweise hat genau diese Masse. Schwieriger wird es nun, wenn wir uns an die in ihr gespeicherte Energie wagen. Und jetzt kommt ein Satz, den kann man auf sich wirken lassen: Ein Kilogramm Materie birgt mit E=mc² soviel Energie in sich, wie bei der Verbrennung von 3 Millionen Tonnen Braunkohle frei wird. 3 Millionen Tonnen Kohle, das entspricht einem Kohleberg von der Größe der Cheopspyramide oder einem Güterzug mit einer Länge von über 700 Kilometern.

 
In einem Kilo Materie steckt mit E=mc² soviel Energie wie in 3 Millionen Tonnen Braunkohle. Die 60.000 Waggons mit ihren 700 Kilometern Länge wollten einfach nicht aufs Bild passen.

Wie man auf die Formel kam

Einstein war nicht der erste, der eine Beziehung zwischen Masse und Energie vermutete. Aber er war es schließlich, der diesen Zusammenhang mit der Formel E=mc² auf den Punkt brachte. Schon vorher gab es Überlegungen dazu: 1904 hatte man bei einem Experiment festgestellt, dass Elektronen in bewegtem Zustand eine höhere Masse besitzen als in Ruhe. Warum, war anfangs noch unklar. Schließlich kam man darauf, dass es etwas wie eine Äquivalenz zwischen Energie und Masse geben könnte. Am 27. September 1905 reichte Albert Einstein seine Arbeit mit dem Titel „Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?“ bei der Fachwelt ein. Dort taucht sie zu ersten Mal auf: Die Formel E=mc².

Wann wird Materie zu Energie?

Dieser Prozess spielt sich praktisch überall um uns herum ab, genauer gesagt in allen Sternen des Universums. Im Innern eines Sterns verbrennt Wasserstoff zu Helium, das ist die Kernfusion. Die ganze abgestrahlte Energie eines Sterns stammt größtenteils aus diesem Prozess. Jetzt passiert bei der Kernfusion etwas merkwürdiges: Das entstandene Teilchen (der Heliumkern) ist leichter als die Summe seiner einzelnen Bestandteile vor der Fusion. Das ist etwa so, als würde man 4 Bananen mit je 100g in eine Schüssel geben, um danach festzustellen, dass es nur noch 399 Gramm sind. Wo ist das eine Gramm hin? „Das ist Bindungsenergie“, würde ein Physiker jetzt sagen. Und er hat recht, vielleicht nicht bei den Bananen, aber bei der Kernfusion. Dort hat der Gewichtsverlust tatsächlich etwas mit Bindungsenergie zu tun. Jetzt alles der Reihe nach: Man stelle sich vor, einen Heliumkern auseinander zu reißen. Dazu benötigt man Energie, denn die 4 Elementarteilchen des Heliumkerns ziehen sich gegenseitig an. Hat man es geschafft, die 4 Teilchen zu trennen, hat jedes von ihnen mehr Energie als zuvor. Das ist genau die Energie, die für die Trennung benötigt wurde, diese ist nun in den 4 Einzelteilchen gespeichert. Und der Energiegehalt eines Körpers ist direkt mit seiner Masse verknüpft, das haben wir ja jetzt oft genug gelesen. Die 4 Teilchen werden bei ihrer Trennung also schwerer. Lässt man sie danach wieder zusammenkrachen, geht diese Energie wieder verloren, sie wird in Form von Wärme abgestrahlt, wodurch die Teilchen wieder leichter werden. Mitbekommen? Hier war der entscheidende Vorgang: Bei der Fusion verlieren die Teilchen an Masse und Energie wird frei, genau hier wird Materie in Energie umgewandelt.

Wann wird Energie zu Materie?

Es ist schwer vorstellbar, aber es passiert: Energie verwandelt sich in Materie. Aber wann? Und vor allem: wo? Ganz einfach: Zum Beispiel in Teilchenbeschleunigern. Dort werden Elementarteilchen auf knapp Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, um dann frontal mit einem anderen Teilchen zu kollidieren. Dabei sind solch hohe Energien im Spiel, dass daraus neue Elementarteilchen entstehen können. Und das tun sie, auf diese Weise hat man schon eine ganze Reihe neuer Teilchen entdeckt. Um es nochmal zu verdeutlichen: Diese neu entstandenen Teilchen sind nicht etwa die Splitter der Kollisionsteilchen, sondern sie entstehen tatsächlich aus der Energie, genauer gesagt aus der kinetischen Energie dieser Kollisionsteilchen. Es geht auch ohne den Teilchenbeschleuniger: Elektromagnetische Strahlung stellt eine Form von Energie dar. Hat diese die richtige Frequenz, kann sich daraus ein Teilchen- Antiteilchenpaar bilden. Aus dem Nichts, sozusagen. Warum das nur bei ganz bestimmten Strahlungsfrequenzen funktioniert, hat etwas mit der Quantisierung der Energie zu tun. Aber das ist eine ganz andere Geschichte.

 
Aus Strahlung wird Materie: Hier entsteht ein Teilchen- Antiteilchenpaar. Sowas funktioniert nur bei ganz bestimmen Strahlungsfrequenzen.
 
Mehr Physik auf drillingsraum.de
 
Interview Ulrich Walter
Der deutsche Astronaut im großen Interview mit drillingsraum.de. Lesen...
Interview Ivo Sachs
Themen: Stringtheorie, Ende des Universums, Chaos. Lesen...
Interview mit dem CERN-Physiker Matt. Schott. Themen: CERN, LHC, HIGGS. Lesen... Was genau wird bei der Quantenteleportation teleportiert? Was ist Verschränkung? Mehr...    
   
Die Quantencomputer
Was können sie? Wann gibt es sie? Wo werden sie eingesetzt? Mehr...
Was ist das HIGGS?
Wie funktioniert der HIGGS-Mechanismus? Einfach erklärt. Mehr...
Die Stringtheorie
Die Welt besteht aus schwingenden Fäden reiner Energie. Mehr...
Was sind WIMP's? Erklären sie die Dunkle Materie? Wie kann man sie nachweisen? Mehr...    
   
Was sind Quanten?
Quanten sind kleinste Pakete aus Energie, die alles zerstückeln. Mehr...
Wie sieht das Ende des Universums aus? Big Rip, Big Crunch oder nur Big Whimper? Mehr... Ein weites Land
Kleine Geschichte zur Einführung in höhere Dimensionen. Lesen...
Wie schnell vergeht die Zeit? Das Chronon soll das kürzest mögliche Zeitintervall sein. Mehr...    
 
Home | Impressum | Contact | Physik | Physik-Forum | Sitemap
 
physik
 
physik
 

Aus dem Physikshop von getdigital.de:

Zeitmaschine
In der Zeitmaschine verbinden sich geniale Technik und Murmeln zu einer Uhr.
49.95 EUR
 
Anti-Gravitations-
Auto

Das ferngesteuerte Auto kann an der Decke und an der Wand fahren.
34.90 EUR
 
Magnetpuzzle
Ein magnetisches Puzzle aus 216 Magnetkugeln. Es handelt sich hier um sehr starke NdFeB Magnete.
ab 29.95 EUR
 
Schwebender Globus
Dieser faszinierende Globus schwebt durch Magnetkraft gehalten vollkommen frei und stabil in der Luft.
94.50 EUR
 
Khet Laser Spiel
In das Spielfeld dieses Strategiespiels sind echte Laser integriert. Hier sind Logik und Strategie gefragt.
49.00 EUR
 
Like und Dislike
Stempel

Für eine vereinfachte Kulturkritik: Bewerte alles mit Like & Dislike. Schon die Lohnsteuer gemacht dieses Jahr?
14.95 EUR
 
Selbstrührender
Becher

Dieser Becher mit Propeller rührt Kaffee auf Knopfdruck für Dich um. Für den Morgenmuffel in Dir.
17.95 EUR
 
Gel-Plantarium
Das Spezialgel des Plantariums kann alle Nährstoffe zur Verfügung stellen, die eine Pflanze zum Überleben braucht.
24.95 EUR
Interviews
joachim_bublath
Wissenschaftsjournalist und Fernsehmoderator Dr. Joachim Bublath im Interview. Lesen...
 
Physik-Nobelpreisträger Theodor W. Hänsch im großen Interview mit drillingsraum.de. Lesen...
 
Interview mit CERN-
Physiker Dr. M. Schott: CERN - Schwarzes Loch. Lesen...
 
Interview Josef Jochum
Thema: Dunkle Materie. Nachweis, Forschung, Detektorbau. Lesen...
 
Mehr Physik
Einsteins Theorie über Raum und Zeit. Was sagt sie aus? Was bedeutet sie für uns? Mehr...
 
Was ist Antimaterie?
Woraus besteht sie? In der Ladung liegt der Unterschied! Mehr...
 
Was sind Quarks?
Quarks sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Mehr...
 
Der 4D-Hyperwürfel
Aus welchen Teilen besteht er? Fakten und Inspirationen. Mehr...
 
Der 4D-Hyperraum
Kann man sich eine vierte Raumdimension vorstellen? Mehr...
 
Die 4 Grundkräfte der Physik. Was bewirken sie? Wie werden die Kräfte vermittelt? Mehr...
 
Kann man den Lauf der Zeit beeinflussen? Was hat die Gravitation damit zu tun? Mehr...