Transformarea materiei în energie, în Soare

După cum am văzut, energia nu poate fi creată sau distrusă, ci doar convertită dintr-o formă în alta. Una dintre concluziile remarcabile ale lui Albert Einstein (vezi Albert Einstein) când și-a dezvoltat teoria relativității este că materia poate fi considerată și o formă de energie și poate fi transformată în energie. În plus, energia poate fi transformată și ea în materie. Acest lucru părea să contrazică ceea ce oamenii au învățat de-a lungul a mii de ani studiind natura. Materia este ceva ce putem vedea și atinge, în timp ce energia este ceva pe care obiectele îl au atunci când fac lucruri precum se mișcă sau se încălzesc. Ideea că materia sau energia pot fi transformate una în cealaltă părea la fel de revoltătoare ca a spune că ai putea accelera o mașină transformând bara de protecție în o viteză mai mare sau că ai putea crea un scaun din față mai mare prin încetinirea mașinii. Ar fi destul de greu de crezut; cu toate acestea, universul funcționează de fapt oarecum așa.

Transformarea materiei în energie

Echivalența remarcabilă dintre materie și energie este dată de una dintre cele mai faimoase ecuații, formula lui Einstein:

E = mc²

În această ecuație, E reprezintă energia, m reprezintă masa și c, constanta care leagă cele două, este viteza luminii (3 × 10⁸ metri pe secundă). Rețineți că masa este o măsură a cantității de materie, deci semnificația acestei ecuații este că materia poate fi transformată în energie și energia poate fi transformată în materie. Să comparăm această ecuație de conversie a materiei și energiei cu unele ecuații comune de conversie care au aceeași formă:

inci = picioare × 12, sau cenți = dolari × 100

Așa cum fiecare formulă de conversie vă permite să calculați conversia unui lucru în altul, atunci când convertim materia în energie, luăm în considerare câtă masă are materia. Factorul de conversie în acest caz se dovedește a nu fi nici 12, nici 100, ca în exemplele noastre, ci o altă cantitate constantă: viteza luminii la pătrat. Rețineți că materia nu trebuie să călătorească cu viteza luminii (sau cu viteza luminii la pătrat) pentru ca această conversie să aibă loc. Factorul c² este doar numărul pe care Einstein a arătat că trebuie folosit pentru a lega masa și energia.

Observați că această formulă nu ne spune cum să convertim masa în energie, la fel cum formula pentru cenți nu ne spune unde să schimbăm monede pentru o bancnotă de un dolar. Formulele ne spun doar care sunt valorile echivalente dacă reușim să facem conversia. Când Einstein și-a derivat pentru prima dată formula în 1905, nimeni nu avea nici cea mai vagă idee cum să transforme masa în energie într-un mod practic. Einstein însuși a încercat să descurajeze speculațiile conform cărora conversia la scară largă a masei atomice în energie va fi fezabilă în viitorul apropiat. Astăzi, ca urmare a evoluțiilor fizicii nucleare, convertim în mod regulat masa în energie în centrale electrice, arme nucleare și experimente de fizică de înaltă energie în acceleratoarele de particule.

Deoarece viteza luminii la pătrat (c²) este o cantitate foarte mare, conversia chiar și a unei cantități mici de masă are ca rezultat o cantitate foarte mare de energie. De exemplu, conversia completă a 1 gram de materie (aproximativ 1/28 uncii, sau aproximativ o agrafă) ar produce la fel de multă energie precum arderea a 15.000 de barili de petrol.

Oamenii de știință și-au dat seama curând că conversia masei în energie este sursa de căldură și lumină a Soarelui. Cu ecuația lui Einstein E = mc², putem calcula cantitatea de energie radiată de Soare care ar putea fi produsă prin conversia completă a aproximativ 4 milioane de tone de materie în energie în interiorul Soarelui în fiecare secundă. Distrugerea a 4 milioane de tone pe secundă sună mult în comparație cu lucrurile pământești, dar rețineți că Soarele este un rezervor foarte mare de materie. De fapt, vom vedea că Soarele conține o masă mai mult decât suficientă pentru a distruge cantități atât de uriașe de materie și a continua să strălucească în ritmul actual de miliarde de ani.

Dar știind toate acestea, încă nu ne spune cum poate fi transformată masa în energie. Pentru a înțelege procesul care are loc de fapt în Soare, trebuie să explorăm puțin mai departe structura atomului.