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.

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.

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.

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.