Einstein, bundan yıllar once E = mc2 denklemini ortaya cıkardığı zaman tum dunya değişti diyebiliriz. Fiziğin yapıtaşlarından olan bu denklem, bircok pencere acarak bugun dunyayı nasıl algıladığımızı da değiştirdi. Biz de sizler icin bu denklemden cıkarılabilecek 5 bilimsel dersi inceledik.
Tarihin en bilindik bilim insanlarından ve en iyi fizikcilerinden olan Albert Einstein hakkında biraz araştırma yaptıysanız Einstein'ın en bilinen denklemini de duymuşsunuzdur. Dunyayı kasıp kavuran E = mc2 denklemi, bir sistemin enerjisi (E), kutlesi (m) ve ışık hızının karesi (c2) arasındaki ilişkiyi inceliyor. Denklem son derece basit ve temel hatlarıyla anlaşılabilir olsa da anlattıkları son derece onemli.
Temel seviyede denklemi inceleyecek olursak bir nesnenin kutlesi ve icerisinde depolanan enerji arasında bir eşitlik bulunuyor. Kutle; elektrik, termal ya da kimyasal enerji gibi enerji unsurlarından yalnızca biri. Bu nedenle enerji, herhangi bir formdan diğerine donuşturulebilir (orneğin termal enerji elektrik enerjisine donuşturulebilir vs.).
Kutle korunmaz


Dunyada değişikliğe uğrayan ve her zaman aynı kalan şeyleri duşunduğunuz zaman kutleyi genellikle surekli olarak sabit kalan şeyler arasına koyarız. Bir demir bloğunu alıp parcalara ayırırsanız parcaların toplamının eski bloğun kutlesine eşit olmasını beklersiniz. Kutle korunabilir olsaydı bu duşunce tamamen doğru olabilirdi.
Einstein'a gore gercek dunyada kutle korunamaz. 26 proton, 30 notron ve 26 elektrona sahip olan bir demir atomunu alıp bir teraziye koyarsanız kelimenin tam anlamıyla 'rahatsız edici' gerceklerle karşılaşabilirsiniz.

Bir demir atomu, parcacıklarının ağırlıklarının ayrı ayrı toplamından daha hafiftir. Bunun yanı sıra bir demir cekirdeği 26 proton ve 30 notronun ayrı ağırlığından daha hafiftir. Tum bunların yanı sıra demir cekirdeklerini daha ağır bir demir cekirdeğiyle birleştirirseniz cekirdeği birleştirmek, cıkartmaktan daha fazla enerji gerektirecektir.
Yukarıda okuduğunuz tum cumleler doğru cunku kutle, enerjinin başka bir formu olarak karşımıza cıkıyor. Enerji istikrarı konusunda kendi yapıtaşlarından daha istikrarlı bir şey urettiğiniz zaman uretim işlemi, sistemdeki toplam enerjiyi korumaya yetecek kadar fazla olmalı.

Bir elektronu bir atoma ya da molekule bağlamak istediğinizde ya da bu elektronları en duşuk enerji durumuna gecirmek istediğinizde bu bağlama işlemi enerji acığa cıkarır. Bu enerjinin de bir yerden gelmesi gerekir: Karmaşık urunlerin kutleleri. Bu durum, nukleer geciş sırasında atomik gecişlerden cok daha ciddi bir boyuta ulaşıyor. Nukleer gecişler atomik gecişlerden 1000 kat daha guclu olabiliyor. Bu da E = mc2'den alabileceğimiz ikinci derse bir kopru niteliği taşıyor.
Enerji, yalnızca kutleleri değiştirdiğiniz zaman korunur


Dunya'yı Guneş'in etrafında donerken hayal edin. Saniyede 30 kilometre hızla hareket eden Dunya, Guneş'ten yaklaşık 150 milyon kilometre uzakta bulunuyor. Dunyayı ve Guneş'i birbirlerinden bağımsız ve teker teker bir teraziye koyduğunuz zaman ikisinin mevcut Guneş-Dunya sisteminden daha ağır olduğunu gorursunuz.
İki nesneyi birbirine bağlayan bir cekici kuvvet olduğu zaman (bu enerji, elektronu cekirdek yorungesinde tutan bir elektrik kuvveti, protonları ve notronları bir arada tutan bir nukleer kuvvet ya da gezegenleri ve yıldızları tutan yercekimsel bir kuvvet olabilir) sistemin butunu, nesnelerin tekil ağırlıklarından daha hafiftir. Ayrıca bu nesneleri ne kadar sıkı şekilde bir araya getirirseniz bağlama işlemi o kadar enerjiyi icerisine hapseder. Bu da nihai urunun durağan kutlesinin daha az olması anlamına gelir.

Serbest bir elektronu uzak bir mesafeden cekirdeğe bağlamak isterseniz bu durum, Guneş Sistemi'nin uzaklarında bulunan serbest bir kuyruklu yıldızı Guneş'e bağlamanıza benzer bir senaryo oluşturur. Enerjisini kaybetmezse Guneş'e yaklaşır ancak sapanla fırlatılan bir taş gibi hızla geri doner.
Sistemdeki enerjiyi azaltmanın bir ihtimali bulunabilirse nesneler daha sıkı şekilde bağlanabilir. Orneğin elektronlar cekirdeğe bağlanabilir ancak bu surecte fotonlar acığa cıkarır. Kuyrukluyıldızlar sabit ve periyodik yorungelere girebilir ancak bunun icin başka bir gezegenin, kuyrukluyıldızın kinetik enerjisinin bir kısmını alması gerekir. Bunun yanı sıra protonlar ve notronlar da buyuk gruplar halinde birbirlerine bağlanabilir. Bu surecte cok daha hafif bir cekirdek uretirler ve yuksek enerjili fotonları acığa cıkarırlar.
Einstein'ın E = mc2 denklemi, Guneş'in (ya da tum yıldızların) neden parladığından sorumludur


Guneş'in cekirdeği icerisinde sıcaklıklar 4 milyon Kelvin uzerine cıktığı zaman Guneş'in enerjisini sağlayan nukleer reaksiyonlar oluşur. Protonlar, bu denli uc durumlarda birleşir; enerjiyi korumak icin antielektron (pozitron) ve notrino (TUBATerim: Sadece zayıf etkileşmelere katılan, durgun kutlesi neredeyse sıfır olan, 1/2 spinli, yuksuz temel parcacık) acığa cıkarırken bir dotron (proton ve notronun birleşik durumu) oluşturur.
Ek protonlar ve dotronlar yeni oluşmuş parcacıkları 'bombalamaya' başlar; iki proton ve iki notronlu helyum-4 oluşana kadar cekirdeği zincirleme reaksiyona sokar. Bu surec yıldızlarda doğal olarak oluşur ve Guneş'in enerji kaynağı olarak bilinir.
Nihai urun olan helyum-4'u bir teraziye koyup helyum-4'u oluşturan dort protonla karşılaştıracak olsaydınız nihai urun olan helyum-4'un %0,7 daha hafif olduğunu gorurdunuz. Peki, bu nasıl oldu?

Helyum-4, ağırlığının %99,3'unu dort protondan alır. Bu dort protonun ikisi notrona donuşmuş olsa da bağlayıcı kuvvet o kadar gucludur ki helyum-4 oluşumu sırasında 28 MeV değerinde bir enerji acığa cıkar.
Guneş, gorduğumuz enerjiyi uretebilmek icin her saniye 4x1038 protonu helyum-4'e cevirir. Bu da her saniye 596 milyon ton helyum-4 uretilmesi anlamına gelir. Bu sırada 4 milyon ton kutle de E = mc2 ile saf enerjiye donuşmuş olur. Guneş, varsayımlara gore cekirdeğinde oluşan reaksiyonlar sonucunda yaşamı boyunca Saturn kadar kutle kaybetmiştir.
Kutleyi enerjiye donuşturmek evrendeki en verimli enerji uretimidir


%100 verimlilikten daha iyi bir yontem var mıdır? Kesinlikle hayır. %100 verimlilik, bir reaksiyondan almayı bekleyebileceğiniz en iyi verimlilik olarak karşınıza cıkar.
E = mc2 denklemine bakacak olursanız denklem size kutleyi saf enerjiye donuşturebileceğinizi belirtir. Bunun yanı sıra reaksiyondan ne kadar enerji alabileceğinizi de bulabilirsiniz. Donuşturduğunuz her 1 kilogram kutle icin 9x1016 joule enerji alırsınız. Bu da 21 megaton TNT anlamına geliyor.
Bir radyoaktif fisyon ya da fuzyon reaksiyonu ya da madde ve antimadde arasında bir yıkım gorduğumuz zaman reaksiyona giren urunlerin kutleleri, nihai urunden daha fazladır. Aradaki farksa acığa cıkan enerjiye eşittir.

Acığa cıkan enerji, koşul ne olursa olsun nihai urun ve reaksiyona giren urunlerin kutle kaybının enerji değerine eşittir. Bu durumun en uc orneğiyse antimadde anhilasyonudur. Anhilasyon, bir atom altı parcacığını yok ederek enerjiye donuşturme işlemine verilen isimdir. Antimadde anhilasyonu surecinde parcacık ve antiparcacık birleşerek iki parcacıktan arda kalan enerjiye eşdeğer iki foton uretir.
Bir elektron ve pozitronu alıp anhilasyon surecine soktuğunuz zaman her koşulda 511 keV değerinde enerjiye sahip iki adet foton elde edersiniz. Her elektron ve pozitronun durağan kutlesinin de 511 keV/c2 olması da bir rastlantı değildir. Acığa cıkan enerjiyle aynı olan değer, yalnızca (denklemde olduğu gibi) c2 ile bir araya gelmiştir. Einstein'ın en unlu denklemi, bizlere herhangi bir parcacıkla antiparcacığın anhilasyonu sonucunda saf enerji acığa cıkabileceğini soyler.
Yalnızca ve yalnızca enerjiyi kullanarak parcacıklar uretebilirsiniz


Einstein'ın en unlu denkleminden oğrenebileceğimiz en onemli dersler arasında birinci sırada bulunan bu kural başlangıcta tamamen sacma gelebilir. En nihayetinde iki bilardo topunu birbiriyle carpıştırdığınız zaman yalnızca tek bir şey beklersiniz: iki adet bilardo topu.
Bu olay bilardo toplarında boyle olsa da iş parcacıklara gelince olay farklı bir boyuta ulaşabiliyor. İki elektronu alıp birbiriyle carpıştırdığınız zaman iki adet elektron elde edersiniz ancak yeterli enerjiye sahipseniz iki elektronun yanı sıra bir madde-antimadde ciftine de sahip olabilirsiniz. Başka bir deyişle daha once var olmayan iki adet parcacık oluşturmuş olursunuz. Bir madde (elektron, proton vb.) ve antimadde (pozitron, antiproton vb.) parcacığı.

Bu işlem, madde hızlandırıcılarının nasıl yeni parcacıkları oluşturduğunu da acıklar nitelikte. Yeterli enerji sağlanması durumunda kutle (m) ile yeni parcacıklar oluşturabilirsiniz. Başka bir deyişle gereksinimleri karşılayacak kadar enerji olması durumunda m = E/c2 denklemi gecerli olacaktır. Gorduğunuz işlem de E = mc2 denkleminden turemiştir.
Einstein'ın E = mc2 denklemi, temel fiziğin yapıtaşları niteliğindedir. Kutle, yalnızca temel bir nicelik değildir ancak enerji oyledir ve kutle, enerjinin onlarca formundan biri olarak karşımıza cıkar. Kutle, once enerjiye sonra tekrar kutleye donuşturulebilir ve nukleer enerjiden parcacık hızlandırıcılara, atomlardan Guneş Sistemi'ne kadar her yerde karşımıza cıkar. Fizik kanunları aynı kaldığı surece bu durum değişmeyecektir.