In 1905 komt Einstein met zijn relativiteitstheorie aanzetten en in datzelfde jaar komt hij later nog met een kort artikel waarin hij een “zeer interessant gevolg” van diezelfde relativiteitstheorie uit de doeken doet. Dat interessante gevolg blijkt de equivalentie van energie en massa, oftewel: E = mc².

De bekendste voorbeelden van E = mc² zijn waarschijnlijk nucleaire splijtings- en fusieprocessen. Het splijtingsproces is overbekend door het gebruik van atoombommen tegen Japan aan het einde van de Tweede Wereldoorlog. In een atoombom vindt een kettingreactie plaats en eenmaal op gang gebracht gaat die reactie volledig zijn eigen gang, de reactie is ongecontroleerd. In een kerncentrale wordt op een gecontroleerde manier energie opgewekt door zware elementen te splijten, meestal uranium en soms plutonium. Nadat men het splijtingsproces onder de knie had gekregen ging men verder en kreeg men uiteindelijk ook het fusieproces onder de knie, maar alleen op de ongecontroleerde manier. Oftewel, middels de waterstofbom. Bij kernsplitsing worden zware atomen gespleten en bij kernfusie worden lichte atomen gefuseerd. Aan de gecontroleerde manier van kernfusie wordt inmiddels al driekwart eeuw gewerkt, maar vooralsnog zonder succes. De fusiereactie komt pas op gang bij een temperatuur van honderden miljoenen graden. Dat is een extreem hoge temperatuur, omdat men bij een hele lage druk werkt. De druk kan niet verhoogd worden, omdat er geen omhulling gemaakt kan worden waarbinnen de druk opgevoerd kan worden want er is geen enkel materiaal dat ook maar bij benadering een temperatuur van een miljoen graden kan weerstaan (terwijl de minimumtemperatuur voor kernfusie nog veel hoger licht). In de natuur zien we het kernfusieproces in actie in iedere ster. De Zon genereert iedere seconde een energie van bijna vierhonderd quadriljoen Joule (een vier met zesentwintig nullen, voor de berekening zie deze pagina). Dat heeft tot gevolg dat de Zon iedere seconde meer dan vier miljard kilogram aan massa kwijtraakt, en dat al bijna vijf miljard jaar achtereen! Toch heeft de Zon sinds haar ontstaan nog maar minder dan één promille van haar massa op deze manier verloren. Maar E = mc² is overal, bijvoorbeeld bij jou in de keuken. Wanneer ik een pan soep opwarm dan voeg ik (warmte)energie toe aan de soep. En omdat energie en massa equivalent zijn wordt de soep dus zwaarder (een heeeeeeeeeel klein beetje). Warme soep is zwaarder dan koude(re) soep! Energie is het vermogen om arbeid te verrichten, dat is kortweg de definitie. Het water in een stuwmeer heeft dat vermogen (om arbeid te verrichten) en wordt daar dan ook voor gebruikt. Door het water door de stuwdam te leiden, waar allerlei mechaniekjes de bewegingsenergie van het omlaagstromende water omzetten in electriciteit, wordt er energie onttrokken aan het water. En omdat energie en massa equivalent zijn is het water in het stuwmeer dus zwaarder (een heeeeeeeeeel klein beetje) dan het water aan de andere kant van de stuwdam. Beweging en hoogteverschil zijn allebei vormen van energie, zie het voorbeeld hierboven met de stuwdam. Een vliegtuig heeft ze allebei, want vanaf het begin van de startbaan nemen zowel de snelheid als de hoogte van het vliegtuig toe. Oftewel, een vliegend vliegtuig is zwaarder dan een geparkeerd vliegtuig (een heeeeeeeeeel klein beetje). Veren worden gebruikt in vele toepassingen, zoals mechanische horloges en klokken, schokdempers en tegenwoordig zie je ze ook veel bij speeltoestellen. Ook hier geldt dat er energie wordt toegevoegd aan een veer op het moment dat die ingedrukt wordt, want later moet de veer arbeid verrichten om zijn oorspronkelijke vorm weer terug te krijgen. De ingedrukte (of uitgerekte) veer is daarom zwaarder dan de onbelaste veer (een heeeeeeeeeel klein beetje). Zoals gezegd, energie is het vermogen om arbeid te verrichten. Wanneer ik een volgestouwde koffer dichtpers dan voeg ik energie toe aan de koffer, want wanneer ik de ritssluiting daarna weer open rits dan klapt het deksel van de koffer open en dan kan ik in principe dat deksel via wat mechaniekjes arbeid laten verrichten en dus die toegevoegde energie weer oogsten. Tijdens het sluiten van de koffer heb ik daarom energie toegevoegd aan de koffer (door het dichtpersen van de koffer), en omdat ook hier geldt dat energie en massa equivalent zijn, is de dichte koffer zwaarder dan de open koffer (een heeeeeeeeeel klein beetje). Veel mensen denken dat het voedsel dat je inneemt omgezet wordt in energie en op die manier ‘verdwijnt’ uit je lichaam. Helaas, niets is minder waar. Energie en massa zijn weliswaar equivalent, maar daar zit wel een kolossale conversiefactor tussen (de c² uit de formule van Einstein) en dat betekent dat dagelijks minder dan een miljoenste gram voedsel werkelijk wordt omgezet in energie. Dat is volkomen verwaarloosbaar, en concreet betekent dit dat iedere gram die je inneemt (aan eten en drinken en inademen) ook weer in een of andere vorm je lichaam moet verlaten om te voorkomen dat je langzaam maar zeker zwaarder wordt. En dan hebben we het niet alleen over plassen en poepen, maar ook over uitademen (waterdamp!), zweet, snot, oorsmeer, huidschilfers, kwijl, bloed, sperma, traanvocht, uitvallende haren, afgeknipte haren, afgeknipte nagels, enzovoort. Een consequente onbalans in deze input en output van slechts drie gram (!) per dag betekent een gewichtstoename van ruim een kilo per jaar en verandert je na enkele decennia in een slagschip. Door aardgas te ontsteken ontstaan water en kooldioxide en heel veel warmte. Indien je scheikunde hebt gehad op de middelbare school dan heb je ongetwijfeld onderstaande reactievergelijking langs zien komen. De docent heeft hierbij vast en zeker genoemd dat je er goed op moest letten dat links en rechts evenveel atomen van alle atoomsoorten aanwezig moesten zijn om de vergelijking kloppend te krijgen (in onderstaand voorbeeld heb je links en rechts één koolstofatoom, vier waterstofatomen en vier zuurstofatomen). Allemaal mooi en aardig, maar hoe zit het dan met de warmte die ontstaat? Warmte is energie, energie en massa zijn equivalent, en de atomen aan de linkerkant zijn daarom zwaarder dan dezelfde atomen aan de rechterkant (een heeeeeeeeeel klein beetje). Het aardgas en de zuurstof verliezen een heel klein beetje massa tijdens de omzetting naar water en kooldioxide en daarmee wordt de warmte die ontstaat ‘gefinancierd’. Alle atomen waaruit je bent opgebouwd, en de onderdelen daarvan, zijn continu in beweging, voortgejaagd door kwamtummechanische wetten. Stilstand is verboden en dat gebiedt een heel scala aan deeltjes om met hoge snelheid rond te racen in je lichaam. De som van al deze bewegingsenergieën vertegenwoordigt massa, want zoals we inmiddels uit den treuren weten: energie en massa zijn equivalent. Deze totale bewegingsenergie is zelfs zo groot dat het het overgrote deel van je lichaamsgewicht bepaalt. In deeltjesversnellers worden subatomaire deeltjes versneld tot zo dicht mogelijk bij de lichtsnelheid. Ofschoon de rustmassa’s van deze deeltjes onmeetbaar weinig voorstellen krijgen ze wel een gigantische bewegingsenergie, en die moet geleverd worden door de versneller. Zou de relativiteitstheorie van Einstein niet kloppen, en E = mc² dus ook niet, dan zou je een deeltjesversneller kunnen bouwen op de keukentafel volgens Newtoniaanse principes Echter, E = mc² is heel erg waar en daarom verbruiken de deeltjesversnellers van CERN net zoveel energie als een complete stad. Zo ongelooflijk als het allemaal klinkt, het is echt waar!