Yanmakta olan bir parça kömür düşünün. Kömürün dışa vermekte olduğu ısının bir ağırlığı olduğundan, kömür yandıkça kütle kaybeder. Eğer yanma sürecinde oluşan kül ve çıkan gazlar gibi tüm yan ürünlerin ağırlığını ölçebilseydik, kömürün ilk halinden daha düşük bir ağırlığa ulaşırdık.
Kömür yanarken, ısı enerjisine dönüşen kütle enerjisinin miktarı ölçülemeyecek kadar küçüktür. Bununla birlikte doğada, önemli miktarda kütlenin diğer enerji türlerine dönüştüğü bir yer bulunuyor. Bu yeri, 1919 yılında İngiliz fizikçi Francis Astan atomları “tartarken” tespit etti.
Doğada bulunan 92 atomun her birinin, iki ayrı atomaltı parçacıktan -proton ve nötron- meydana gelen bir çekirdek içerdiğini hatırlayın.6 Bu nükleonların kütleleri aşağı yukarı aynı olduğundan, en azından ağırlığı mevzubahis olduğunda, çekirdeğin tek bir yapı taşından oluştuğu düşünülebilir. Bunu bir Lego taşı olarak düşünelim. Bu bağlamda, en hafif çekirdeğe sahip hidrojen tek bir Lego taşından oluşurken, en ağır element uranyum 238 Lego taşından oluşmaktadır.
19. yüzyılın başlarında, belki de evrenin başlangıcında yalnızca tek bir tür atomun (en basit atom olan hidrojenin) var olduğundan şüpheleniliyordu. Bu düşünceye göre, başlangıç anından itibaren diğer tüm atomlar, hidrojen Lego taşlarının birleşmesi yoluyla oluşmuştu. Bu düşüncenin, İngiliz fizikçi William Prout tarafından 1815 yılında öne sürülen kanıtı ise lityum gibi bir atomun hidrojenden tam olarak altı kat, karbon gibi bir atomun ise hidrojenden tam olarak 12 kat (ve diğer atomlar için de bu şekilde devam etmektedir) daha ağır olduğuydu.
Fakat Aston, farklı türlerdeki atomların kütlelerini, kütle spektrografı adını verdiği kendi icadı olan bir aletle daha net bir şekilde karşılaştırdığında, başka bir şey keşfetti. Aston’un ölçümlerine göre, lityum altı, karbon ise 12 hidrojen atomunun toplam ağırlığından biraz daha hafif çıkıyordu. En büyük tutarsızlık ise en hafif ikinci atom olan helyumdaydı. Helyum çekirdeğinin dört Lego taşından oluştuğu düşünüldüğünden, normalde bir hidrojen atomundan dört kat daha ağır olması bekleniyordu. Ancak çıkan sonuç, helyumun dört hidrojen atomundan yüzde 0,8 daha hafif olduğuydu. Bu durum, terazinin bir kefesine dört adet 1 kilogramlık şeker paketi koyup, toplam ağırlıklarının diğer kefedeki dört kilogramlık ağırlıktan neredeyse yüzde 1 daha az olduğunu görmekle aynı şey.
Prout’un şiddetli bir şekilde savunduğu gibi, bütün atomlar hidrojen atomlarından oluştuysa, Aston’un bu keşfi atomların oluşumu hakkında çok ciddi bir soru işareti doğuruyordu. Çünkü süreç içinde, kütle enerjisinin ciddi bir kısmı sırra kadem basıyordu.
Diğer tüm enerji türleri gibi, kütle enerjisi de yok edilemez. Yalnızca bir enerji türünden diğerine dönüştürülebilir ve önünde sonunda da en düşük enerji türü olan ısı enerjisine dönüşür. Dolayısıyla 1 kilogram hidrojen 1 kilogram helyuma dönüştürüldüğünde, 8 gram kütle enerjisi ısı enerjisine dönüşmek durumundadır. İşin inanılmaz tarafı ise bu miktarın, 1 kilogram kömür yakarak elde edilebilecek enerjinin bir milyon katı olmasıdır!
Söz konusu bir milyon kat fazlalık elbette ki astronomların dikkatinden kaçmadı. Binlerce yıldır insanlar güneşin yanmasını sağlayanın ne olduğunu düşünüp durmuştur. Milattan önce 5. yüzyılda Yunan filozof Anaks agoras, “Güneşin Yunanistan’dan çok da büyük olmayan kızgın kırmızı bir demir topu” olduğunu öne sürmüştür. Kömür çağının yaşandığı 19. yüzyılda ise fizikçiler güneşin dev bir kömür kümesi olup olmadığı fikri üzerinde durmuştur. Bu durumda güneşin, tüm kömür kümelerinin anası olması gerekirdi! Öte taraftan fizikçiler, güneş bir kömür topu olsaydı, 5000 yıl içinde yanıp kül olması gerektiğininin de farkındaydı. Buradaki sorun, jeoloji ve biyoloji sayesinde elde edilen kanıtlar doğrultusunda, dünyanın (ve elbette güneşin de) en azından bir milyon kat daha yaşlı olduğunun bilinmesiydi. Güneşin, bu durumda, kömürden bir milyon kat daha yoğun bir enerji kaynağına sahip olduğu da pekala düşünülebilirdi.
İkiyle ikiyi toplayan kişi, güneşin atom enerjisi (nükleer enerji) kullandığını öne süren İngiliz astronom Arthur Eddington oldu. Güneş en hafif atom olan hidrojeni kullanarak, en hafif ikinci atom olan helyumu üretiyor ve süreç içinde kütle enerjisi, ısı ve ışık enerjisine dönüşüyordu. Güneşin yaydığı muazzam enerjiyi üretmesi için, her bir saniye içinde 4 milyon ton kütle yok oluyordu. Eddington sayesinde, güneş ışığının kaynağıyla ilgili problem çözülmüş oldu.
Ancak bu tartışma, öte taraftan hafif bir atomu kullanarak daha ağır bir atom oluşturmanın, neden böylesine çok miktarda kütle enerjisinin diğer enerji türlerine dönüşmesine yol açtığı sorusunu göz ardı etmekteydi. Bu noktada bir parantez açabiliriz.
Bir evin önünden geçerken çatıdan düşen bir kiremitin kafanıza isabet ettiğini düşünün. Burada açığa çıkan bir enerji söz konusudur. Örneğin kiremit kafanıza çarptığı anda çıkacak ses, ses enerjisidir. Bir de ısı enerjisi vardır. Eğer kiremitin ve kafanızın ısısını doğru bir şekilde ölçebilseydiniz, ikisinin de çarpışma öncesine göre biraz daha sıcak olduklarını gözlemleyebilirdiniz.
Bütün bu enerji nereden geliyor? Cevap, kütleçekimi. Kütleçekimi, iki kütleli cisim arasındaki çekim kuvvetidir. Bu durumda, dünya ve kiremit arasındaki kütleçekimi, bu ikisini birbirlerine çekmektedir.
Peki, kütleçekimi iki kat daha kuvvetli olsaydı ne olurdu? Cevap çok açık: Kiremit zemine iki kat daha hızlı düşerdi. Çarpışma anında daha çok ses çıkarır ve daha çok ısı yaratırdı. Kısacası, daha çok enerji açığa çıkardı. Peki, kütleçekimi 10 kat daha kuvvetli olsaydı? Basit. Ortaya çıkan enerji miktarı daha da artardı. Tamam, bir de şunu düşünelim: Kütleçekimi 10.000 trilyon trilyon trilyon daha büyük olsaydı? Elbette kiremitin çarpmasıyla ortaya çıkan şey, insan aklının durmasına neden olacak düzeyde bir enerji olurdu. Ayrıca dünya ve kiremitin birleşimi de çok daha hafif olurdu, tıpkı helyum atomu gibi.
Gerçekten de, kütleçekiminden 10.000 trilyon trilyon trilyon kat daha büyük bir kuvvet olamaz, değil mi? Ancak böyle bir kuvvet var ve bu kuvvet tam şu anda, her birimizin içinde! Bu, atomların çekirdeklerini bir arada tutan, nükleer kuvvetten başka bir şey değil.
Nükleer kuvvet altında, iki hafif atomun çekirdeklerinin birlikte düşmesi durumunda ne olacağını bir düşünün. Çarpışma inanılmaz bir sertlikte olacak ve muazzam düzeyde enerji açığa çıkacaktır – eş ağırlığa sahip kömürün yanmasıyla ortaya çıkan enerjiden bir milyon kat daha yüksek bir enerji.
Birleşen atomlar yalnızca güneş enerjisinin kaynağı değildir. Hidrojen bombasının enerji kaynağı da budur. Hidrojen bombası prensip olarak, helyum çekirdeği oluşturmak için hidrojen çekirdeklerinin birbirlerine çarpıştırılmasıdır (aslında kullanılan hidrojenin biraz daha ağır bir kuzeni, ancak bu başka bir hikaye). Helyum çekirdekleri, birleşimlerindeki hidrojenlerin toplam ağırlığından daha hafiftir ve arada kaybolan kütle, nükleer bombanın ürettiği inanılmaz düzeydeki ısı enerjisine dönüşür. 1 megatonluk hidrojen bombasının yıkıcı gücü (Hiroşima’ya atılan atom bombasından 50 kat daha büyük bir güçten bahsediyoruz), bir kilogramdan yalnızca biraz daha fazla bir kütlenin yok edilmesiyle elde edilir. Einstein, nükleer bombanın tarihinde oynadığı role değinirken, “Bunu önceden bilebilseydim, bir saat tamircisi olurdum,” demiştir.