هم ارزی جرم و انرژی(Energy~Mass) 

 

نظریات اولیه

 

تا چندی پیش دو اصل کلی و مستقل از یکدیگر پایه دانش جدید را تشکیل می داد: 

یکی اصل بقای جرم بود و دیگری اصل بقای انرژی در نیمه دوم قرن هجدهم میلادی لاوازیه دانشمند فرانسوی پس از یک سلسله تجربیات دریافت که مقدار جرم مادی که در فعل و انفعالات شیمیائی دخالت دارند همواره ثابت می ماند و این مشخصه مواد رادر قانون زیر به نام قانون بقای جرم خلاصه نمود . 
 

بیان لاووازیه از قانون بقای جرم و انرژی

هیچ جرمی معدوم نمی شود و هیچ جرمی نیز از عدم بوجود نمی آید و یا به عبارت دیگر مقدار جرم مادی که در عالم وجود دارد همواره ثابت است اصل بقای انرژی می گوید انرژی هر دستگاه معین مقدار ثابتی دارد ، نمی توان انرژی را خلق کرد و نه آنرا از بین برد فقط اقسام آن می توانند به یکدیگر تغییرشکل دهند . 

 

نظریات مدرن
در اوایل قرن بیستم یعنی در سال 1905 نظریه نسبیت (Theory of Relativity)

  آلبرت انیشتین خدشه ای به دو اصل فوق الذکر وارد ساخت زیرا یکی از نظریات نسبیت این است که جرم و انرژی مانند بخار آب و آب که دو شکل مختلف از یک ماده هستند یک چیز واحد بوده و قابل تبدیل به یکدیگر می باشند. 

بنابراین مقدار جرم مادی را که در عالم وجود دارد نمی توان ثابت دانست بلکه از تطبیق نظریه نسبیت با اصل بقای جرم و اصل بقای انرژی می توان قانون کلی تری نتیجه گرفت که مطابق آن :" مجموع جرم مادی و مقدار انرژی که در عالم وجود دارد همواره ثابت است ."به عقیده آلبرت انیشتین مقدار E  که معرف انرژی است و از کلمه لاتین Energy  اقتباس شده است یعنی انرژی هم ارز با جرم  m  بوسله رابطه زیر بیان می گردد.

 

E=m c²

 

 که در آن E   انرژی و m  جرم و C  سرعت نور در خلا می باشند.

 

داده های آماری

چنانچه در رابطه اخیر به جای حروف اعداد واقعی بکار بریم عظمت و قدرت نیروی هسته ای آشکار می گردد نیروی حاصله به این دلیل بزرگ است که سرعت سیر نور بسیار و برابر سیصد هزار کیلومتر در ثانیه است بنابراین ضریب  c²  بسیار رقم بزرگی می باشد و اگر آنرا در دستگاه C.G.S  یعنی سانتیمتر گرم ثانیه حساب کنیم چنین می شود  c²=9X10²⁰

 ملاحظه می کنید که چه عدد غول پیکری است و ما آنرا به شکل طولانی خودش نمی نویسیم و خیلی راحت تر است که فرم توانی آنرا به کار ببریم اگر فرض کنیم که فقط یک گرم از جرم به انرژی تبدیل شود (m=1gr)  مقدار  E  یعنی انرژی (کار) برابر با: 9x910²⁰  ارگ (Erg)  خواهد شد که ارگ واحد انرژی در دستگاه C.G.S  می باشد.

اگر این انرژی تبدیل به انرژی الکتریکی نماییم مقدار آن برابر 25 گیگا وات در ساعت الکتریسته خواهد شد و این مقدار انرژی می تواند یک لامپ ها 30 واتی را برای مدت 100 سال روشن نگه دارد .بنا براین ناپدید شدن مقدار ناچیزی از جرم باعث ظهور مقدار زیادی انرژی است که در ک قدرت آن دشوار است برای درک بیشتر و بهتر مثال دیگری را ببینید.

چنانچه جرم را یک کیلو گرم انتخاب کنیم فرقی نمی کند که چه ماده ای در نظر گرفته شود انرژی حاصل از تبدیل آن 25000 گیگا وات ساعت خواهد بود اگر این مقدار انرژی را با سایر واحدها مقایسه کنیم درک آن آسانتر می شود ناپدید شدن یک کیلوگرم ماده معادل سوختن 1600 میلیون لیتر بنزین و یا 3300 کیلو تن ذغال سنگ انرژی می دهد

 

مفهوم فیزیکی قانون هم ارزی جرم و انرژی

باید بدانید که رابطه  E=mc²  چگونگی تبدیل یک کیلو گرم آب به انرژی را بیان نمی کند بلکه فقط اصلی است که هم ارزی جرم و انرژی را بیان می کند

نه اینکه جزئیات نحوه تبدیل آنها را آشکار سازد رابطه اخیر ایجاب می کند که برای انرژی نیز جرمی قائل شویم .
انرژی گرمایی که ضمن احتراق بدست می آید دارای جرم است ولی این جرم به اندازه ای کوچک است که حتی با دقیق ترین ترازو ها نمی توان آنرا سنجید مثلا چند نانوگرم (بیلیونوم گرم) در مورد احتراق 12 گرم ذغال . اگر بوسیله حرارت یک تن آب صفر درجه را به 100 درجه برسانیم یعنی به آن 100 میلیون کالری انرژی بدهیم جرم آن فقط 0.004 میلی گرم اضافه می شود.