Scientia

Cele mai cunoscute două legi din teoria relativităţii sunt echivalenţa masei şi energiei, exprimată de faimoasa ecuaţie a lui Einstein E=mc² şi legea că nici un corp (cu masă) nu se poate deplasa mai repede decât viteza luminii şi nici nu poate atinge această viteză.

E=mc², unde E este energia, m este masa, iar c este viteza luminii în vid şi anume trei sute de milioane de metri pe secundă.

Datorită echivalenţei masei şi energiei, energia pe care o are un corp datorită mişcării sale, se va adăuga masei sale (ceea ce va îngreuna mărirea vitezei). Acest efect este semnificativ numai pentru obiecte care se mişcă cu viteze apropiate de viteza luminii. Atunci când un corp se apropie de viteza luminii, masa lui creşte foarte rapid,  astfel încât este necesară din ce în ce mai multă energie pentru a-i mări viteza. Obiectul nu poate atinge viteza luminii, deoarece masa lui ar deveni infinită şi din echivalenţa masei şi energiei rezultă că ar fi necesară o cantitate infinită de energie pentru a atinge viteza luminii. De aceea, orice obiect se poate mişca numai cu viteze mai mici decât viteza luminii. Deci, numai lumina şi undele care nu au masă intrinsecă se pot deplasa cu viteza luminii.

Echivalenţa masei şi energiei, E=mc², ne spune că energia înmagazinată de un obiect în repaus cu masa m este egală cu masa respectivă înmulţită cu pătratul vitezei luminii în vid, arătând că un corp are energie chiar şi atunci când este staţionar, spre deosebire de mecanica newtoniană în care un corp care nu se află în mişcare nu are energie cinetica, însă el poate avea sau nu alte forme de energie înmagazinate în interior, cum ar fi energie termică sau energie chimică, pe lângă energia potenţială ce o poate avea prin poziţia lui într-un câmp de forţă. În mecanica newtoniană toate aceste energii sunt mult mai mici decât masa obiectului înmulţită cu pătratul vitezei luminii în vid. În teoria relativităţii, toate energiile care se mişcă împreună cu un obiect se adună la masa totală a corpului obiectului, care măsoară rezistenţa acestuia la deviere. Atât energia cinetică, cât şi cea potenţială au o contribuţie directă asupra masei. În teoria relativităţii scăderea energiei înseamnă scăderea masei. Spre exemplu când apa este încălzită într-un cuptor cu microunde, se adaugă o masă de aproximativ 10^-17 kilograme pentru fiecare Joule de căldura adăugat apei (Joule este unitatea de măsura pentru energie în Sistemul Internaţional).

Cuvântul energie provine din limba greacă veche, ενέργεια (energhia) care înseamnă activitate şi este format din doi termeni, "εν" având semnificaţia "în" şi "έργον" având semnificaţia „lucru”. În sensul folosit în fizică, sau, mai general, în ştiinţă, „energia” înseamnă „potenţialul care determină schimbări”.

Materia este caracterizată prin două mărimi fundamentale: masa şi energia. Masa este măsura inerţiei şi a gravitaţiei, iar energia este măsura scalară a mişcării materiei. Astfel, energia şi masa nu sunt două lucruri total diferite (precum focul şi apa spre exemplu), ci  sunt  două forme de manifestare (prezentare) ale aceluiaşi lucru, respectiv materia, aşa cum spre exemplu, aburul şi gheaţa sunt stări de agregare (moduri de prezentare) ale aceleiaşi substanţe, respectiv apa. Conform relaţiei dintre masă şi energie a lui Einstein, oricărei forme de energie a unui sistem fizic îi corespunde o masă inertă a sistemului. Termenul de energie nucleară este folosit în două contexte. Astfel, la nivel microscopic, energia nucleară este energia asociată forţelor de coeziune a nucleonilor dată de interacţiunea tare a protonilor şi neutronilor din nucleele atomice. La nivel macroscopic prin energie nucleară se înţelege energia electromagnetică eliberată (prin radiaţie) datorită reacţiilor de fuziune nucleară din stele şi din bombele cu hidrogen, respectiv cea eliberată prin fisiune nucleară în bombele atomice şi în aplicaţiile civile (centrale nucleare).

Relaţia E=mc² poate fi, deci, folosită pentru a calcula câtă energie  s-ar produce dacă o cantitate de materie ar fi convertită în radiaţie (care transportă energia) electromagnetică. Spre exemplu, masa materiei convertită în energie în cazul bombei de la Hiroşima a fost mai mică decât 30 grame. (Conform relaţiei lui Einstein, energia unui gram de materie este de 10¹⁴ Joule). Nu trebuie, însă, să confundăm masa cu materia. Din punctul de vedere al fizicii, materia este sub formă de substanţă (caracterizată prin masă) sau câmp (caracterizat prin energie). Trăsăturile caracteristice care definesc materia sunt: masa, necesarul de spaţiu, structura internă şi energia termică internă a materiei. Masa se defineşte drept acea mărime măsurabilă ce determină cantitatea de substanţă conţinută într-un corp sau particulă, determinabilă la nivel macroscopic şi măsurată, de asemenea, macroscopic.

Figura 1 Orientarea piliturii de fier după liniile de câmp magnetic

Spre deosebire de masă, conceptul de „câmp” este cu siguranţă unul destul de abstract, întrucât nu are nici măcar masă şi poate să nu existe deloc în materie. În ciuda aspectului abstract, putem da un exemplu destul de practic, cu care majoritatea dintre noi suntem familiarizaţi: magneţii. Deşi, aparent nu există nici o legătură directă între două bucăţi separate de magnet, există cu siguranţă o forţă de atracţie sau de respingere în funcţie de orientarea lor relativă. Această „forţă” nu are nici culoare, nici masă, nici miros, iar dacă nu am observa interacţiunile dintre ei, nici nu am şti că există. În cadrul fizicii, interacţiunile ce au loc în spaţiul dintre magneţi poartă numele de câmpuri magnetice. Dacă plasăm pilitură de fier în jurul unui magnet (figura 1), putem observa (re)orientarea acesteia în jurul liniilor de câmp; în acest fel putem avea o indicaţie vizuală a prezenţei câmpului magnetic. Din experienţa de zi cu zi suntem familiarizaţi şi cu câmpurile electrice. Un exemplu este electricitatea statică ce explică modul în care materiale precum sticla şi mătasea se atrag după ce au fost în prealabil frecate una de cealaltă. Fizicienii includ aceste interacţiuni în domeniul câmpurilor electrice generate de două corpuri ca rezultat al dezechilibrului de electroni dintre ele. Este suficient să spunem că prezenţa unei diferenţe de potenţial (tensiuni) între două puncte duce la apariţia unui câmp electric în spaţiul liber dintre acestea.

Câmpurile au două caracteristici principale: forţa şi fluxul. Forţa reprezintă cantitatea de împingere pe care un câmp îl exercită la o anumită distanţă, iar fluxul reprezintă cantitatea totală, sau efectul câmpului prin spaţiu. Forţa şi fluxul câmpului sunt aproximativ similare tensiunii (împingere) şi curentului (curgere) printr-un conductor. Fluxul unui câmp poate întâmpina rezistenţă în spaţiu precum un curent întâmpină rezistenţă într-un conductor.