Relativitätstheorie
Relativistische Masse und die Äquivalenz von Masse und Energie
Warum nichts schneller als Licht werden kann und was hinter der bekanntesten Formel der Physik steckt.
Benötigte Grundlagen
Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.
Einführung
ist die bekannteste Formel der Physik und zugleich eine der am häufigsten missverstandenen. Sie steht auf T-Shirts, aber was sie eigentlich behauptet, wissen wenige.
Sie besagt nicht, dass „in umgewandelt" wird wie Holz in . Sie besagt etwas viel Radikaleres: Masse und Energie sind dasselbe, nur in verschiedenen Einheiten gemessen. Ein aufgeladener Akku ist tatsächlich schwerer als ein leerer, und eine gespannte Feder wiegt mehr als eine entspannte.
Aus derselben Überlegung folgt auch, warum die Lichtgeschwindigkeit eine unüberwindliche Grenze ist.
Das kannst du nach diesem Kapitel
die relativistische Massenzunahme beschreiben.
begründen, warum eine Grenzgeschwindigkeit ist.
die Äquivalenz von und deuten.
Ruheenergie und kinetische Energie unterscheiden.
den in Kernreaktionen einordnen.
typische Fehldeutungen von richtigstellen.
Die relativistische Masse
man ein Teilchen, wird es nicht nur schneller, sondern auch träger:
heißt Ruhemasse, gemessen im mitbewegten System.
🔴 Für geht gegen unendlich. Damit ist die Frage beantwortet, warum nichts die Lichtgeschwindigkeit erreichen kann: Je näher man ihr kommt, desto träger wird das Teilchen und desto mehr kostet jeder weitere Zuwachs. Für selbst wäre unendlich viel Energie nötig.
Der Nachweis ist Alltag in der Teilchenphysik. Am CERN erreichen Protonen der Lichtgeschwindigkeit, also . Die Magnete müssen entsprechend stärker ausgelegt sein, als es die klassische Rechnung verlangte. Ohne relativistische Auslegung funktionierte kein Beschleuniger.
Sprachhinweis: In der modernen Fachsprache spricht man lieber vom relativistischen und behält die als unveränderliche Größe bei. Für den Schulgebrauch ist die Vorstellung einer geschwindigkeitsabhängigen Masse anschaulich und liefert dieselben Ergebnisse.
Die Kurve läuft an der senkrechten Linie ins Unendliche. Das ist der Unterschied zwischen „sehr schnell“ und „unerreichbar“: Um einen Körper mit auf c zu bringen, bräuchte man unendlich viel . Deshalb ist die Lichtgeschwindigkeit keine technische Hürde, die man mit besseren Maschinen überwindet, sondern eine Grenze der Natur.
Die Äquivalenz von Masse und Energie
Aus derselben Rechnung folgt die berühmteste Formel der Physik:
Zerlegt man das:
Jede enthält , und jede Energie hat Masse.
🔴 Das ist die eigentliche Aussage. Masse und Energie sind nicht zwei Dinge, die man ineinander umwandeln kann, sondern zwei Erscheinungsformen derselben Sache. Sie unterscheiden sich nur durch den Umrechnungsfaktor .
Die Ruheenergie ist gewaltig. Für :
Das entspricht dem Jahresstromverbrauch von rund zwei Millionen Haushalten. Der Grund ist der riesige Faktor .
Warum man es im Alltag nicht merkt
Auch jede Energiezufuhr erhöht die :
- Ein geladener Akku ist schwerer als ein leerer.
- Eine gespannte Feder wiegt mehr als eine entspannte.
- Eine heiße Tasse Tee ist schwerer als eine kalte.
Die Zunahme ist nur unmessbar klein. Bei einem Akku mit :
Keine Waage der Welt kann das an einem Akku nachweisen.
Wo man es sehr wohl merkt: Kernreaktionen
In Kernprozessen sind die millionenfach größer, und der Masseunterschied wird messbar.
. Ein ist leichter als die Summe seiner Bausteine. Die fehlende entspricht der Bindungsenergie, die beim Zusammenfügen frei wurde.
Bei und wird genau diese Massendifferenz freigesetzt. In der Sonne verliert jede Sekunde rund Millionen Tonnen Masse, die als Strahlung abgegeben werden.
🔴 Wichtig zur Einordnung: Auch bei chemischen Reaktionen ändert sich die Masse, nur rund eine Million Mal weniger. Der Unterschied zwischen Chemie und Kernphysik ist also nicht grundsätzlich, sondern eine Frage der Größenordnung.
Hier ist E = m · c² keine Formel mehr, sondern eine Messung: Der fertige Heliumkern wiegt weniger als seine vier Bausteine einzeln. Oben der ehrliche Maßstab. Man sieht fast nichts, denn es fehlen nur 0,75 %. Unten derselbe Ausschnitt gedehnt. Aus diesen 0,03 u werden 28,3 MeV, und genau daher stammt die jeder Kernreaktion.
Der Energie-Impuls-Zusammenhang
Für masselose Teilchen (), also für , folgt daraus
🔴 Photonen haben also , obwohl sie keine Ruhemasse haben. Das ist kein Widerspruch, sondern folgt unmittelbar aus dieser Beziehung.
Der Impuls von Licht ist messbar: Er erklärt den Strahlungsdruck, weshalb Kometenschweife von der Sonne weg zeigen, und macht Sonnensegel für Raumsonden möglich. Die japanische Sonde IKAROS flog 2010 auf diese Weise zur Venus.
Aus folgt außerdem, dass Photonen sich immer mit bewegen und niemals ruhen können.
Ruheenergie und Massendefekt
a) Welche Ruheenergie steckt in Materie?
b) Bei der eines Urankerns werden rund frei. Welche entspricht das?
c) In der Sonne verschmelzen je Sekunde Millionen Tonnen Wasserstoff zu Millionen Tonnen Helium. Welche gibt sie ab?
d) Wie viel Masse gewinnt ein Akku beim Laden mit ?
- 1
a)
Zur Einordnung: Das entspricht rund Millionen Kilowattstunden oder dem Jahresstromverbrauch von etwa Haushalten, und zwar aus einem einzigen Gramm.
🔴 Verantwortlich ist der Faktor . Nicht die Masse ist besonders, sondern der Umrechnungsfaktor.
- 2
b) Erst in Joule umrechnen:
Dann nach auflösen:
Das sind rund der Masse eines Urankerns (). Weniger als ein Promille, und doch die Grundlage der gesamten Kerntechnik.
- 3
c) Massenverlust je Sekunde:
Der tatsächliche Wert beträgt , unsere Abschätzung trifft ihn gut.
Zur Einordnung: Die Sonne verliert je Sekunde vier Millionen Tonnen Masse und tut das seit rund Milliarden Jahren. Insgesamt hat sie dabei nur etwa ihrer Masse verloren, und ihr Wasserstoffvorrat reicht noch rund fünf Milliarden Jahre.
- 4
d)
🔴 Der Akku wird beim Laden tatsächlich schwerer, und zwar um zwei Nanogramm. Das ist keine bildliche Redeweise, sondern eine physikalisch korrekte Aussage.
Messbar ist es nicht: Die besten Waagen erreichen bei einem Gegenstand von einigen hundert Gramm bei weitem nicht diese Auflösung.
Genau deshalb blieb die Äquivalenz so lange unentdeckt. Bei allen Alltagsvorgängen und auch bei chemischen Reaktionen sind die Massenänderungen um Größenordnungen zu klein.
Erst in Kernprozessen, wo die millionenfach größer sind, wird der Effekt sichtbar. Der Unterschied zwischen Chemie und Kernphysik ist damit nicht grundsätzlich, sondern eine Frage der Größenordnung: Auch beim Verbrennen von Holz wird Masse in Energie überführt, nur eben ein millionstel Teil davon.
a) b) rund (etwa ) c) rund d) Nanogramm.
Warum nichts schneller als Licht sein kann
Begründe, warum kein Körper mit Ruhemasse die Lichtgeschwindigkeit erreichen kann, und erkläre, warum sich trotzdem genau mit bewegen.
- 1
Schritt 1: Die Trägheit wächst.
Je näher an kommt, desto kleiner wird der Nenner und desto größer die :
Für wäre der Nenner null, die Masse also unendlich.
- 2
Schritt 2: Was das für die nötige bedeutet.
Die kinetische Energie beträgt
und geht für ebenfalls gegen unendlich. Um ein Teilchen mit Ruhemasse auf genau zu bringen, bräuchte man also unendlich viel Energie.
Das ist keine technische, sondern eine grundsätzliche Grenze. Kein Beschleuniger der Welt kann sie überwinden, gleich wie viel Energie man aufwendet.
Was man stattdessen beobachtet: Steckt man mehr Energie hinein, wird das Teilchen kaum noch schneller, aber immer schwerer. Am CERN erreichen Protonen von , also : siebentausendfache Trägheit, aber immer noch nicht .
- 3
Schritt 3: Warum Photonen dennoch mit fliegen.
Für Photonen ist die Ruhemasse null. Setzt man in
ein, so steht für dort , ein unbestimmter Ausdruck. Die Formel verbietet also nichts; sie ist auf diesen Fall schlicht nicht anwendbar.
Stattdessen benutzt man die allgemeinere Beziehung
Mit folgt
Ein Photon hat also Energie und , aber keine Ruhemasse, und aus dieser Beziehung folgt, dass es sich immer mit bewegt.
🔴 Die Kernaussage: Photonen können sich nicht nur mit bewegen, sie müssen es. Es gibt kein ruhendes Photon und kein langsames. Bremst man Licht ab (etwa in Glas, wo es scheinbar langsamer ist), so beruht das auf Wechselwirkung mit den Atomen; die einzelnen Photonen laufen weiterhin mit .
- 4
Schritt 4: Warum der Impuls von Licht nachweisbar ist.
Dass Photonen Impuls tragen, ist keine Formelspielerei, sondern messbar:
- Strahlungsdruck: Licht übt auf eine bestrahlte Fläche eine aus. Kometenschweife zeigen deshalb immer von der Sonne weg, unabhängig von der Flugrichtung des Kometen.
- Sonnensegel: Die japanische Sonde IKAROS wurde 2010 auf diese Weise angetrieben und erreichte die Venus, ohne Treibstoff für den Antrieb mitzuführen.
- Optische Pinzette: Mit fokussierten Laserstrahlen lassen sich einzelne Zellen und Nanoteilchen festhalten und bewegen. Dafür gab es 2018 den Nobelpreis für Physik.
- Compton-Effekt (nächstes Kapitel): Ein Photon stößt mit einem Elektron wie eine Kugel und überträgt Impuls.
Ein häufiger Einwand: „Ohne Masse kein Impuls, denn ." Diese Formel ist aber nur die klassische Näherung. Der allgemeine Zusammenhang ist , und der erlaubt Impuls ohne Ruhemasse.
Merksatz: Masselose Teilchen bewegen sich immer mit , massebehaftete nie.
Für geht die Trägheit und damit die nötige Energie gegen unendlich, deshalb kann kein Körper mit Ruhemasse erreichen. Photonen haben und bewegen sich nach zwangsläufig genau mit .
Typischer Fehler
„ bedeutet, dass man in umwandeln kann, so wie Holz in ."
Die Formel sagt etwas Grundsätzlicheres: Masse und Energie sind dasselbe, nur in verschiedenen Einheiten gemessen. Es findet keine Umwandlung von einem Ding in ein anderes statt.
Der Vergleich, der es klarmacht: Man wandelt auch nicht Meter in Kilometer „um". Es ist dieselbe Größe, nur anders ausgedrückt, mit dem Umrechnungsfaktor . Bei Masse und Energie ist der Faktor .
Was daraus folgt und meist überrascht:
- Ein geladener Akku ist schwerer als ein leerer.
- Eine gespannte Feder wiegt mehr als eine entspannte.
- Eine heiße Tasse Tee ist schwerer als eine kalte.
- Ein zusammengesetzter Kern ist leichter als seine Bausteine, weil beim Zusammenfügen Energie abgegeben wurde.
Alles das ist physikalisch korrekt, nur unmessbar klein (beim Akku rund zwei Nanogramm).
Was bei einer Kernreaktion wirklich geschieht: Ein Teil der Ruheenergie wird in eine andere Energieform überführt, etwa in kinetische Energie der Bruchstücke und in Strahlung. Die Gesamtenergie bleibt dabei streng erhalten, und die Gesamtmasse des abgeschlossenen Systems ebenfalls, denn die abgestrahlte Energie trägt ihre Masse mit sich fort.
Nur wenn man die Strahlung entweichen lässt, wirkt es so, als sei Masse verschwunden.
Warum die Fehlvorstellung so verbreitet ist: Die Formulierung „Masse wird in Energie umgewandelt" ist populär und in vielen Texten zu finden. Sie ist als Kurzform nicht völlig falsch, verstellt aber den Blick auf das Eigentliche.
Die genauere Formulierung: Masse ist eine Form, in der Energie auftritt. Bei einer Kernreaktion ändert sich die Verteilung auf die Energieformen, nicht die Gesamtmenge.
Und noch eine Klarstellung: Es gibt keinen Grund, weshalb Kernprozesse den Energiesatz verletzen würden. Sie erweitern ihn nur: Zur Bilanz gehört auch die Ruheenergie, die man in der klassischen Mechanik nicht kannte, weil sie sich dort nie ändert.
Übung 1
leichta) Welche Ruheenergie hat ein Körper von ?
b) Um welchen Faktor nimmt die bei zu?
c) Warum kann kein Körper die Lichtgeschwindigkeit erreichen?
Tipp anzeigen
b) bei ist .
Lösung anzeigen
a)
b)
Die Masse nimmt also um rund zu.
c) Weil die Masse nach für gegen unendlich geht.
Damit geht auch die nötige gegen unendlich. Um ein Teilchen mit Ruhemasse auf genau zu bringen, bräuchte man unendlich viel Energie, was unmöglich ist.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht bei Ruheenergie und Massenzunahme
a) gibt ; gesucht ist die Ruheenergie. b) fragt nach dem Faktor der Massenzunahme bei . c) verlangt eine Begründung zur Lichtgeschwindigkeit als Grenze.
- 2
Ruheenergie und relativistische Masse
Es gilt für die Ruheenergie und für die Masse eines bewegten Körpers. Die kinetische Energie ist .
- 3
a) und b) Ruheenergie und Massenfaktor
Erst Masse mal Lichtgeschwindigkeitsquadrat, dann der bei .
;
Zwischenergebnis
; Massenfaktor
- 4
c) Ergebnis deuten: warum c unerreichbar bleibt
Weil die Masse nach für gegen unendlich geht und damit auch die nötige Energie . Um ein Teilchen mit Ruhemasse auf genau zu bringen, bräuchte man unendlich viel Energie.
Übung 2
mittela) Bei einer werden frei. Welchem entspricht das?
b) Warum merkt man die Massenzunahme bei chemischen Reaktionen nicht?
c) Ein Elektron wird auf . Wie groß ist seine Gesamtenergie ()?
d) Warum haben , obwohl sie keine Ruhemasse haben?
Tipp anzeigen
a) Erst in Joule umrechnen.
Lösung anzeigen
a)
Das entspricht rund der beteiligten und ist die Reaktion, auf der die Sonne und künftige Fusionskraftwerke beruhen.
b) Weil die millionenfach kleiner sind als bei Kernreaktionen.
Eine chemische Bindung liegt im Bereich weniger Elektronenvolt, eine Kernbindung bei einigen Megaelektronenvolt, also rund -mal mehr.
Zahlenbeispiel: Verbrennt man Kohle, werden rund frei. Das entspricht einem Massenverlust von
Ein Drittel Mikrogramm bei einem Kilogramm Ausgangsmasse, also eine relative Änderung von . Keine chemische Waage erreicht diese Auflösung.
🔴 Deshalb galt in der Chemie jahrhundertelang der Satz von der Erhaltung der Masse und war für alle praktischen Zwecke richtig. Streng genommen gilt er nicht, aber die Abweichung liegt weit unter jeder Messgenauigkeit.
Der Unterschied zwischen Chemie und Kernphysik ist damit kein grundsätzlicher, sondern einer der Größenordnung.
c)
Davon sind Ruheenergie und rund kinetische Energie. Das Elektron trägt also sechsmal so viel kinetische Energie wie Ruheenergie.
d) Weil der Zusammenhang zwischen Energie, Impuls und Masse allgemeiner ist als :
Setzt man ein, bleibt
Ein Photon hat also Impuls, sobald es Energie hat, und das tut es immer.
🔴 ist nur die klassische Näherung für langsame, massebehaftete Teilchen. Aus ihr zu schließen, masselose Teilchen hätten keinen Impuls, ist eine unzulässige Übertragung über den Gültigkeitsbereich hinaus.
Der Impuls von Licht ist experimentell gut belegt:
- Strahlungsdruck: Kometenschweife zeigen stets von der Sonne weg, weil das Sonnenlicht die Staubteilchen fortdrückt.
- Sonnensegel: Die Sonde IKAROS flog 2010 damit zur Venus, ohne Antriebstreibstoff.
- Optische Pinzette: Mit Laserlicht lassen sich einzelne Zellen festhalten und verschieben (Nobelpreis 2018).
- Compton-Effekt: Ein Photon stößt mit einem Elektron wie zwei Billardkugeln und überträgt dabei Impuls (nächstes Kapitel).
Und umgekehrt: Aus folgt, dass masselose Teilchen sich immer mit genau bewegen müssen. Ein ruhendes Photon gibt es nicht.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht bei Massendefekt und Elektronenenergie
a) gibt Fusionsenergie; gesucht ist der Massendefekt. c) gibt ein Elektron bei mit ; gesucht ist die Gesamtenergie. b) und d) verlangen Begründungen.
- 2
Die Äquivalenz von Masse und Energie
Es gilt , umgestellt für den Massendefekt. Für die Gesamtenergie eines bewegten Teilchens gilt .
- 3
a) Megaelektronenvolt in Joule
, und mit folgt .
Zwischenergebnis
- 4
a) und c) Massendefekt und Gesamtenergie des Elektrons
Energie durch für den Massendefekt; mal Ruheenergie für das Elektron.
;
Zwischenergebnis
;
- 5
b) und d) Ergebnis deuten: Chemie, Kernphysik und der Photonenimpuls
b) Chemische Bindungen liegen bei wenigen Elektronenvolt, Kernbindungen bei einigen Megaelektronenvolt, rund -mal mehr. Verbrennt man Kohle, beträgt der Massenverlust nur rund . d) Photonen haben Impuls, weil gilt; mit bleibt .
Übung 3
schwera) Erkläre, was wirklich aussagt, und warum die Formulierung „ wird in umgewandelt" ungenau ist.
b) Begründe, warum ein leichter ist als die Summe seiner Bausteine.
c) Warum ist eine absolute Grenzgeschwindigkeit und nicht nur eine technische Hürde?
d) Die Sonne strahlt ab. Wie viel Masse verliert sie je Sekunde und wie viel in einem Jahr?
Tipp anzeigen
d) .
Lösung anzeigen
a) Was die Formel aussagt: Masse und Energie sind zwei Erscheinungsformen derselben , verbunden durch den Umrechnungsfaktor .
Jede Masse enthält Energie (), und jede Energiezufuhr erhöht die Masse. Das gilt für alle Energieformen, nicht nur für Kernenergie.
Warum die übliche Formulierung ungenau ist: „Umwandeln" legt nahe, dass zwei verschiedene Dinge ineinander übergehen, wie Holz in . Tatsächlich handelt es sich um dieselbe Größe in verschiedenen Einheiten, ähnlich wie Meter und Kilometer.
Was bei einer Kernreaktion wirklich passiert: Ein Teil der Ruheenergie geht in andere Energieformen über (kinetische Energie, Strahlung). Die Gesamtenergie bleibt streng erhalten, und in einem abgeschlossenen System auch die Gesamtmasse, denn die abgestrahlte Energie trägt ihre Masse mit fort.
Nur weil man die Strahlung entweichen lässt, wirkt es so, als sei Masse verschwunden.
Überraschende Alltagsfolgen: Ein geladener Akku ist schwerer als ein leerer, eine gespannte Feder schwerer als eine entspannte, heißer Tee schwerer als kalter. Alles korrekt, nur um Größenordnungen zu klein, um es zu messen.
b) Wegen der .
Fügt man Nukleonen zu einem Kern zusammen, wird Energie frei, nämlich die Bindungsenergie. Diese Energie verlässt das System (als Strahlung oder Bewegungsenergie).
Da Energie Masse hat, nimmt mit ihr auch die Masse des Systems ab. Der fertige Kern ist deshalb leichter als die Summe der einzelnen Bausteine:
Diese Differenz heißt Massendefekt.
Ein Bild dazu: Um den Kern wieder zu zerlegen, müsste man genau diese Bindungsenergie aufwenden. Sie ist gewissermaßen die „Schuld", die das System beim Zusammenbau abgegeben hat.
🔴 Dasselbe gilt im Kleinen auch für Atome und Moleküle: Ein Wassermolekül ist leichter als die Summe seiner Atome. Die Differenz ist nur rund eine Million Mal kleiner und deshalb unmessbar.
Praktische Bedeutung: Aus dem Verlauf der Bindungsenergie je Nukleon über die Massenzahl folgt unmittelbar, dass sowohl die Spaltung sehr schwerer Kerne als auch die Fusion sehr leichter Kerne Energie liefert. Das behandelt das Kapitel Massendefekt und Kernbindungsenergie genauer.
c) Weil die nötige Energie gegen unendlich geht, nicht weil die Technik nicht ausreicht.
Nach wächst die Trägheit ohne Grenze, wenn sich nähert. Die kinetische Energie
geht dabei ebenfalls gegen unendlich. Für genau wäre unendlich viel Energie nötig, und das ist keine praktische, sondern eine grundsätzliche Unmöglichkeit.
Ein zweites, unabhängiges Argument aus der Kausalität: Könnte sich ein Signal schneller als mit ausbreiten, dann gäbe es Bezugssysteme, in denen die Wirkung vor der Ursache einträte. Damit ließen sich logische Widersprüche konstruieren.
Die Lichtgeschwindigkeit ist also nicht nur die des Lichts, sondern die Grenzgeschwindigkeit jeder Wirkungsübertragung. Dass ausgerechnet Licht sie erreicht, liegt daran, dass keine Ruhemasse haben.
Experimentelle Bestätigung: Am CERN werden Protonen auf von gebracht. Verdoppelt man die Beschleunigungsenergie, kommt man der Lichtgeschwindigkeit nur noch in weiteren Nachkommastellen näher. Die Grenze ist unerreichbar, aber beliebig genau annäherbar.
d) Massenverlust je Sekunde:
Also rund 4,2 Millionen Tonnen je Sekunde.
In einem Jahr ():
Das sind rund Billionen Tonnen je Jahr.
Zur Einordnung: Die Sonnenmasse beträgt . Der jährliche Verlust macht also nur
des Ganzen aus. In den bisherigen Milliarden Jahren hat die Sonne dadurch nur etwa ihrer Masse verloren.
🔴 Der Vorrat ist dennoch begrenzt. Nicht die Masse geht aus, sondern der Wasserstoff im Kern, der für die Fusion zur Verfügung steht. Er reicht noch rund fünf Milliarden Jahre. Danach wird die Sonne zum Roten Riesen und schließlich zum Weißen Zwerg.
Bemerkenswert an dieser Rechnung: Sie verbindet eine Formel, die aus Überlegungen zur Lichtgeschwindigkeit stammt, mit der Frage, warum die Sonne scheint. Vor Einstein konnte niemand erklären, woher ihre Energie kommt; jede chemische Verbrennung hätte nach wenigen tausend Jahren geendet.
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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
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Gegeben und Gesucht, drei Deutungen und der Massenverlust der Sonne
d) gibt die Strahlungsleistung der Sonne mit ; gesucht ist der Massenverlust je Sekunde und je Jahr. a) bis c) verlangen Deutungen zu , zum Massendefekt und zur Grenzgeschwindigkeit.
- 2
a) Was die Äquivalenz von Masse und Energie wirklich aussagt
Masse und Energie sind zwei Erscheinungsformen derselben physikalischen Größe, verbunden durch den Umrechnungsfaktor . Jede Masse enthält Energie, und jede Energiezufuhr erhöht die Masse, für alle Energieformen, nicht nur für Kernenergie. Umgestellt liefert dasselbe Gesetz die in d) gebrauchte Form .
- 3
b) und c) Massendefekt und die absolute Grenzgeschwindigkeit
b) Beim Zusammenfügen von Nukleonen wird Bindungsenergie frei und verlässt das System, da Energie Masse hat, nimmt mit ihr die Masse ab: . c) ist die Grenze, weil die nötige Energie gegen unendlich geht und weil überlichtschnelle Signale die Reihenfolge von Ursache und Wirkung umkehren könnten.
- 4
d) Der Massenverlust der Sonne
Leistung durch ergibt die Masse je Sekunde; mal Sekundenzahl des Jahres ergibt den Jahreswert.
; je Jahr
Zwischenergebnis
je Sekunde; je Jahr
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d) Ergebnis deuten: warum die Sonne trotzdem endlich brennt
🔴 Der Vorrat ist begrenzt, aber nicht die Masse geht aus, sondern der Wasserstoff im Kern, der für die Fusion zur Verfügung steht. Er reicht noch rund fünf Milliarden Jahre; danach wird die Sonne zum Roten Riesen und schließlich zum Weißen Zwerg.
Zusammenfassung
Mit wachsender nimmt die Trägheit eines Körpers zu, und da sie für Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit gegen unendlich geht, wäre unendlich viel nötig, um sie zu erreichen; deshalb ist die Lichtgeschwindigkeit keine technische Hürde, sondern eine grundsätzliche Grenze. Aus derselben Rechnung folgt die Äquivalenz von und Energie, die nicht besagt, dass sich das eine in das andere umwandeln lässt, sondern dass beide dieselbe Größe in verschiedenen Einheiten sind. Deshalb enthält jede Masse eine gewaltige Ruheenergie und erhöht jede Energiezufuhr die Masse, was sogar für einen geladenen Akku gilt, dort aber unmessbar klein bleibt. Erst in Kernprozessen mit millionenfach größeren Energien wird der Effekt sichtbar, etwa im der und im Massenverlust der Sonne. Masselose Teilchen wie tragen nach dem allgemeinen Energie-Impuls-Zusammenhang Impuls ohne Ruhemasse und bewegen sich zwangsläufig immer mit Lichtgeschwindigkeit.


