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3.3 Die Äquivalenz von Masse und Energie

Keine Formel dürfte bekannter sein als $E = m\,c^2$. Was die Formel bedeutet, ist den meisten hingegen nicht ganz so klar. Die Unklarheit hängt mit Begriff Energie zusammen, unter dem sich viele nichts Konkretes vorstellen können. Ein Nichtphysiker assoziiert damit Dinge wie Wärme, Treibstoff oder Bewegung. Oft hört man in den Medien auch Wörter wie Energiemangel oder Energiekrise. Und in der Technik kommt sogar der Begriff Energieerzeugung vor, obwohl hier bekannt sein dürfte, dass Energie nicht erzeugt, sondern nur umgewandelt werden kann.

Zunächst einmal, es gibt grundsätzlich zwei Dinge, die den gleichen Namen tragen, aber absolut nicht das selbe sind. Es wäre in der Tat besser gewesen, wenn sie vollkommen verschiedene Namen bekommen hätten. Das eine ist potentielle Energie. Davon hat man immer dann sehr viel, wenn in irgend einer Weise ein Ungleichgewicht vorliegt. Falls möglich, versucht die Natur dieses auszugleichen. Wenn das geschieht, verwandelt sich potentielle Energie in Bewegung, manchmal direkt sichtbar, zum Beispiel wenn ein Stein zu Boden fällt oder ein Fahrzeug beschleunigt; oft aber weit weniger offensichtlich in Form einer Strömung. Grundsätzlich gilt hier, dass Teilchen beginnen, sich zielgerichtet zu bewegen. Dieser Ausgleichsvorgang ist kinetische Energie.

Aber auch aus makroskopischer Sicht ziellose Bewegung enthält kinetische Energie, da sie auf atomarer Ebene letztlich doch wieder zielgerichtet ist, denn jedes Molekül der Luft bewegt sich beispielsweise zielgerichtet in eine bestimmte Richtung, bis es mit einem anderen zusammenstößt. Diese ungeordnete, chaotische kinetische Energie auf Teilchenebene bezeichnet man als Wärme. Auch potentielle Energie kann in lediglich mikroskopischer Form vorliegen, beispielsweise in Form einer chemischen Bindung. Durch Hinzufügen bestimmter Stoffe kann es zu chemischen Reaktionen kommen. Dabei zerbrechen Moleküle und ordnen sich neu an. Als Nebeneffekt dieser Umstrukturierung können Molekülfragmente beschleunigt oder zum Schwingen gebracht werden, was zu mehr Bewegung auf mikroskopischer Ebene und damit zu einer Temperaturerhöhung und zu Strahlung führt. Die Verbrennung von Erdgas oder Kohle ist beispielsweise eine solche chemische Reaktion.

Da die Verbrennung eines Stoffes an einem bestimmten, räumlich begrenzten Ort stattfindet, entsteht die Wärme auch nur dort. Dies wiederum führt zu einem Temperaturunterschied zur Umgebung, also zu einem Ungleichgewicht. Dieses Ungleichgewicht ist makroskopische potentielle Energie, welche sich, wenn man den Temperaturausgleich nicht durch Isolation verhindert, sofort in kinetische Energie, also beispielsweise in Luftströmungen, umwandelt. In Kraftwerken wird die durch Verbrennung erzeugte Wärme dazu verwendet Wasserdampf zu erzeugen. Dieser lässt sich dann zielgerichtet durch Rohre auf ein Schaufelrad leiten und mittels eines Generators unter zu Hilfenahme des zweiten Induktionsgesetzes in elektrischen Strom, also eine zielgerichtet durch Drähte fließende Elektronenströmung, verwandeln.

Es ist im Übrigen wichtig darauf hinzuweisen, dass die Verbrennung eines Stoffes an einem bestimmten Ort nur dann möglich ist, wenn dieser zuvor gesammelt wurde. Sammeln bedeutet Unordnung zu verringern und Ordnung zu schaffen. Nur auf diese Weise ist es letztlich möglich, die eigentlich mikroskopische potentielle Energie, die in den chemischen Verbindungen enthalten ist, in makroskopische nutzbare kinetische Energie umzuwandeln. Es gibt also letztlich zwei Aspekte: Energie und Ordnung. Der Mensch ist letztlich also gar nicht nicht an Energie, sondern an geordneter Energie, vorzugsweise geordneter potentieller Energie interessiert. Diese kann er dann jederzeit nach Bedarf in die Form umwandeln, die er benötigt. Wenn in den Medien also von "Energieerzeugung" die Rede ist, so ist tatsächlich eigentlich "Ordnungserzeugung" gemeint. Ebenso ist Energieknappheit kein Mangel an Energie, sondern ein Mangel an Ordnung.

Nachdem nun einigermaßen klar ist, was Energie ist, soll nun die wichtige Fragestellung beantwortet werden, wieso Masse Energie enthält? Die bisherige Physik weiß nur das es so ist, weil es aus bestimmten Symmetrieüberlegungen im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie folgt. Die Quantinotheorie geht aber einen Schritt weiter und erklärt, was schwere Masse ist und wie sie sich als Restkraft der elektrischen Grundkraft interpretieren lässt. Das in Abschnitt 3.1 eingeführte Modell eines massebehafteten Elementarteilchens erklärt nicht nur, dass es eine Restkraft geben muss, sondern zeigt auch, dass diese durch ein Ungleichgewicht erzeugt wird. Dieses besteht darin, dass eine Ladungsmenge eine andere Geschwindigkeitsvarianz besitzt, als die andere. Bremst man beispielsweise bei den Objekten in den Abbildung 3.2.1 und 3.2.2 die Einheitsladungen ab, so verschwindet das Ungleichgewicht, als auch die Masse.

Wie später noch klar werden wird, wechselwirken Einheitsladungen nicht mehr miteinander, wenn sie sich nur nah genug beieinander befinden. Die Varianzen innerhalb der Massen sind daher Erhaltungsgrößen. Der bislang einzig bekannte Weg Masse vollständig auszulöschen besteht darin, ein Teilchen und ein gleichartiges Antiteilchen miteinander reagieren zu lassen. Wie im Abschnitt zuvor gezeigt wurde, ergibt die Überlagerung ein sowohl masseloses, als auch elektrisch neutrales Teilchen, in welchem die enthaltenen Einheitsladungen zunächst heftig schwingen. Durch die Schwingungen entstehen Quantinowellen, die andere Teilchen in der Nachbarschaft ebenfalls zum Schwingen und damit zum Abstrahlen von sekundären Quantinowellen anregen. Die rückgestrahlten Wellen bremsen dann nach und nach die Einheitsladungen ab, sodass zum Schluss ein Objekt entsteht, in dem alle Einheitsladungen mehr oder weniger ruhen, wodurch sie praktisch "unsichtbar" werden. Die kinetische Energie, die ursprünglich in der Masse enthalten war, hat sich dann auf andere Teilchen in der Umgebung übertragen und dort die Wärmemenge erhöht. Dieses ist der Grund, weshalb Kernspaltung und Kernfusion anstelle von Verbrennung ebenfalls als Basis für die "Energieerzeugung" in Kraftwerken dienen kann.