Kütle-enerji eşdeğerliği olarak da adlandırılan E=mc2 Einstein'ın en ünlü olduğu konulardan biridir. Fizik ve matematikte, kütle enerjiye veya enerji kütleye dönüştüğünde ne olduğunu gösteren ünlü bir denklemdir. Denklemdeki "E" enerji anlamına gelir. Enerji, nesnelere diğer şeyleri ne kadar değiştirebildiklerine bağlı olarak verdiğiniz bir sayıdır. Örneğin, bir yumurtanın üzerinde asılı duran bir tuğla, yumurtaya onu kıracak kadar enerji verebilir. Yumurtanın üzerinde asılı duran bir tüy, yumurtaya zarar vermek için yeterli enerjiye sahip değildir.
Enerjinin üç temel biçimi vardır: potansiyel enerji, kinetik enerji ve durgun enerji. Bu enerji biçimlerinden ikisi yukarıda verilen örneklerde ve sarkaç örneğinde görülebilir.

Bir gülle demir bir halkadan ipe asılıdır. Bir at gülleyi sağ tarafa çeker. Gülle serbest bırakıldığında şemada gösterildiği gibi ileri geri hareket edecektir. Halatın halkadaki hareketi ve diğer yerlere sürtünmesinin sürtünmeye neden olması ve sürtünmenin her zaman biraz enerji götürmesi dışında bunu sonsuza kadar yapacaktır. Sürtünmeden kaynaklanan kayıpları göz ardı edersek, at tarafından sağlanan enerji gülleye potansiyel enerji olarak verilir. (Enerjisi vardır çünkü yüksektedir ve aşağıya düşebilir.) Gülle aşağıya doğru sallandıkça giderek daha fazla hız kazanır, böylece dibe yaklaştıkça daha hızlı gider ve önünde durursanız size daha sert çarpar. Sonra kinetik enerjisi tekrar potansiyel enerjiye dönüştüğü için yavaşlar. "Kinetik enerji" sadece bir şeyin hareket ettiği için sahip olduğu enerji anlamına gelir. "Potansiyel enerji" ise bir şeyin başka bir şeyden daha yüksek bir konumda olması nedeniyle sahip olduğu enerji anlamına gelir.
Enerji bir formdan diğerine geçtiğinde, enerji miktarı her zaman aynı kalır. Üretilemez ya da yok edilemez. Bu kurala "enerjinin korunumu yasası" denir. Örneğin, bir topu fırlattığınızda, enerji siz topu bırakırken elinizden topa aktarılır. Ancak elinizde olan enerji ile şimdi topta olan enerji aynı sayıdadır. Uzun bir süre boyunca insanlar enerjinin korunumu hakkında konuşulacak tek şeyin bu olduğunu düşündüler.
Enerji kütleye dönüştüğünde, enerji miktarı aynı kalmaz. Kütle enerjiye dönüştüğünde, enerji miktarı da aynı kalmaz. Ancak, madde ve enerji miktarı aynı kalır. Enerji kütleye, kütle de enerjiye Einstein'ın E = mc2 denklemiyle tanımlanan bir şekilde dönüşür.
Einstein'ın denklemindeki "m" kütle anlamına gelir. Kütle, bir cismin içinde bulunan madde miktarıdır. Tuğla gibi bir madde parçasındaki proton ve nötron sayısını biliyorsanız, toplam kütlesini tüm protonların ve tüm nötronların kütlelerinin toplamı olarak hesaplayabilirsiniz. (Elektronlar o kadar küçüktür ki neredeyse ihmal edilebilirler.) Kütleler birbirlerini çekerler ve Dünya'nınki gibi çok büyük bir kütle yakınındaki şeyleri çok sert bir şekilde çeker. Jüpiter'de Dünya'dakinden çok daha ağır olursunuz çünkü Jüpiter çok büyüktür. Ay'da ağırlığınız çok daha az olur çünkü Ay, Dünya'nın altıda biri kadar bir kütleye sahiptir. Ağırlık, tuğlanın (ya da kişinin) kütlesi ve onu bir yaylı terazide aşağı çeken şeyin kütlesi ile ilgilidir - bu kütle güneş sistemindeki en küçük aydan daha küçük ya da Güneş'ten daha büyük olabilir.
Ağırlık değil kütle enerjiye dönüştürülebilir. Bu fikri ifade etmenin bir başka yolu da maddenin enerjiye dönüştürülebileceğini söylemektir. Kütle birimleri bir şeyin içindeki madde miktarını ölçmek için kullanılır. Bir şeyin kütlesi ya da içindeki madde miktarı, o şeyin ne kadar enerjiye dönüştürülebileceğini belirler.
Enerji aynı zamanda kütleye de dönüştürülebilir. Eğer bir bebek arabasını yavaşça yürürken itiyorsanız ve itmenin kolay olduğunu düşünüyorsanız, ancak hızlı yürürken itiyorsanız ve hareket etmenin daha zor olduğunu düşünüyorsanız, o zaman bebek arabasında neyin yanlış olduğunu merak edersiniz. Sonra koşmayı deneseydiniz ve bebek arabasını daha yüksek bir hızda hareket ettirmenin bir tuğla duvara karşı itmek gibi olduğunu görseydiniz, çok şaşırırdınız. Gerçek şu ki, bir şey hareket ettirildiğinde kütlesi artar. İnsanlar normalde kütledeki bu artışı fark etmezler çünkü insanların normalde hareket ettikleri hızda kütledeki artış neredeyse hiçtir.
Hızlar ışık hızına yaklaştıkça, kütledeki değişiklikleri fark etmemek imkansız hale gelir. Günlük hayatta hepimizin paylaştığı temel deneyim, araba gibi bir şeyi ne kadar sert itersek o kadar hızlı gitmesini sağlayabileceğimizdir. Ancak ittiğimiz şey zaten ışık hızının büyük bir kısmında gidiyorsa, kütle kazanmaya devam ettiğini görürüz, bu nedenle daha hızlı gitmesini sağlamak gittikçe zorlaşır. Herhangi bir kütlenin ışık hızında gitmesini sağlamak imkansızdır çünkü bunu yapmak sonsuz enerji gerektirir.
Bazen bir kütle enerjiye dönüşür. Radyoaktivite dediğimiz bu değişimleri yapan elementlerin yaygın örnekleri radyum ve uranyumdur. Bir uranyum atomu bir alfa parçacığı (helyumun atom çekirdeği) kaybedebilir ve daha hafif bir çekirdeğe sahip yeni bir element haline gelebilir. O zaman bu atom iki elektron yayacaktır, ancak henüz kararlı olmayacaktır. Sonunda Pb elementine ya da kurşun dediğimiz şeye dönüşene kadar bir dizi alfa parçacığı ve elektron yayacaktır. Kütlesi olan tüm bu parçacıkları dışarı atarak kendi kütlesini daha küçük hale getirmiştir. Aynı zamanda enerji de üretmiştir.
Çoğu radyoaktivitede, bir şeyin tüm kütlesi enerjiye dönüşmez. Bir atom bombasında uranyum kripton ve baryuma dönüşür. Ortaya çıkan kripton ve baryumun kütlesi ile orijinal uranyumun kütlesi arasında küçük bir fark vardır, ancak değişimle açığa çıkan enerji çok büyüktür. Bu fikri ifade etmenin bir yolu Einstein'ın denklemini şu şekilde yazmaktır:
E = (muranyum - kripton ve baryum) c 2
Denklemdeki c2 ışık hızının karesi anlamına gelir. Bir şeyin karesini almak, onu kendisiyle çarpmak anlamına gelir, dolayısıyla ışık hızının karesini alırsanız, saniyede 299.792.458 metre, çarpı saniyede 299.792.458 metre olur ki bu da yaklaşık olarak
(3-108 )2 = (9-1016
metre2 )/saniye2 =90.
000.000.000.000 metre2 /saniye2
Yani bir kilogramın ürettiği enerji:
E = 1 kg - 90,000,000,000,000 metre2 /saniye2
E = 90,000,000,000,000 kg metre2 /saniye2
orE = 90,000,000,000,000,000
jouleor
E = 90.000 terajoule
Hiroşima üzerinde patlayan atom bombasından yaklaşık 60 terajoule açığa çıkmıştır. Yani uranyum kripton ve baryuma dönüştüğünde, atom bombasındaki radyoaktif kütlenin yaklaşık bir gramının üçte ikisi kaybolmuş (enerjiye dönüşmüş) olmalıdır.