Спросите Итана: существует ли такое понятие, как чистая энергия? +2

- такой же как Forbes, только лучше.


Появление бозона Хиггса на компактном мюонном соленоидном детекторе на Большом адронном коллайдере. Это высокоэнергетическое столкновение иллюстрирует всю мощь преобразования энергии, всегда существующей в виде частиц

Энергия играет важнейшую роль не только в нашей повседневной жизни, наполненной технологиями, но и в фундаментальной физике. Химическая энергия, хранящаяся в бензине, преобразуется в кинетическую энергию наших средств передвижения, а электроэнергия с электростанций преобразуется в свет, тепло и другие виды энергии в наших домах. Но эта энергия будто бы существует в виде одного свойства независимой системы. Но обязательно ли всё должно быть именно так? Наш читатель из Москвы задаёт вопрос по поводу самой энергии:

Существует ли чистая энергия, возможно, некоторое малое время перед тем, как превратиться в частицу или фотон? Или это всего лишь удобная математическая абстракция, эквивалент, используемый нами в физике?

На фундаментальном уровне энергия может принимать различные виды.


Известные частицы в Стандартной Модели. Это все частицы, что мы открыли напрямую; за исключением нескольких бозонов, у всех частиц есть масса.

Простейшая и самая известна форма энергии выражается через массу. Обычно мы не рассуждаем в терминах эйнштейновского E = mc2, но каждый физический объект, когда-либо существовавший во Вселенной, состоит из массивных частиц, и просто потому, что у них есть масса, у этих частиц есть и энергия. Если эти частицы движутся, у них появляется дополнительная энергия – кинетическая, или энергия движения.


Электронные переходы в атоме водорода, совместно с длинами волн получающихся фотонов, иллюстрация энергии связи

Наконец, эти частицы могут связываться друг с другом различными способами, формируя более сложные структуры – ядра, атомы, молекулы, клетки, организмы, планеты и т.п. Эта разновидность энергии известна как энергия связи, и она на самом деле отрицательная. Она уменьшает массу покоя всей системы, и поэтому ядерный синтез, происходящий в ядрах звёзд, может испускать столько света и тепла: превращая массу в энергию через ту же самую формулу E = mc2. За 4,5 миллиардолетнюю историю Солнца оно потеряло примерно массу Сатурна просто из-за синтеза гелия из водорода.


Солнце генерирует энергию, синтезируя гелий из водорода в ядре, теряя в процессе небольшое количество массы.

Солнце представляет другой пример энергии: свет и тепло, идущие в виде фотонов, отличающихся от описанных нами форм энергий. Есть и безмассовые частицы – частицы без энергии покоя – и эти частицы, фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны, движутся со скоростью света. Однако они переносят энергию в виде кинетической энергии, и, в случае глюонов, отвечают за энергию связи внутри атомных ядер и протонов.


Теория асимптотической свободы, описывающая силу взаимодействий кварков в ядре, принесла Нобелевскую премию Гроссу, Вильчеку и Политцеру.

Фундаментальный вопрос состоит в том, может ли энергия существовать независимо от любой из этих частиц. Существовала соблазнительная возможность того, что это она существует отдельно в виде гравитации: много десятилетий мы наблюдали за орбитами двойных нейтронных звёзд – двух остатков коллапсировавших звёзд, вращавшихся вокруг друг друга. Благодаря измерениям длительности импульсов пульсаров, когда одна из звёзд отправляет регулярные сигналы в нашу сторону, мы смогли определить, что эти орбиты уменьшаются и сближаются по спирали. С возрастанием их энергии связи должно происходить излучение энергии в какой-либо форме. Мы могли засечь эффекты уменьшения, но не излучаемую энергию.


Для вращающихся друг вокруг друга нейтронных звёзд ОТО Эйнштейна предсказывает уменьшение орбит и испускание гравитационного излучения

Единственным способом объяснить это было введением некоего типа гравитационного излучения: нам нужно было, чтобы гравитационные волны существовали. Первое слияние чёрных дыр, зафиксированное детектором LIGO 14 сентября 2015 года, должно было проверить эту теорию. В тот день мы зафиксировали две чёрные дыры, по спирали сближавшиеся друг с другом, и прямые гравитационные волны, испущенные этим слиянием. Изначальные чёрные дыры обладали массами в 36 и 29 солнечных; итоговая дыра после слияния имела массу в 62 солнечных.


Важнейшие параметры слияния чёрных дыр 14 сентября 2015 года. Обратите внимание, что во время слияния были потеряны три солнечных массы – но эта энергия живёт в виде гравитационного излучения

Пропавшие три солнечных массы были излучены в виде гравитационных волн, и сила уловленных нами волн точно совпадала с расчётной, необходимой для сохранения энергии. Эйнштейновское E = mc2 и перенос энергии в виде частиц или физических явлений снова были подтверждены.


Спиральное сближение и слияние первой пары чёрных дыр из всех, наблюдаемых напрямую

Энергия принимает различные формы, и некоторые из них фундаментальны. Масса покоя частицы со временем не меняется, как не меняется она от частицы к частице. Энергия этого типа присуща всему во Вселенной. Все остальные существующие формы энергии связаны с ней. Атом в возбуждённом состоянии несёт больше энергии, чем атом в основном состоянии – из-за разницы в энергии связи. Если вы хотите перейти на более низкое состояние энергии, вам нужно испустить фотон; нельзя сделать этот переход, не сохраняя энергию, и эту энергию должна унести частица – пусть и безмассовая.


На этом изображении один фотон (фиолетовый) переносит в миллион раз больше энергии, чем другой (жёлтый). Данные обсерватории Ферми по двум фотонам из вспышки гамма-лучей не показывают какой-либо задержки во времени путешествия, что означает, что скорость света не зависит от энергии

Странный факт состоит в том, что энергия фотона, или любая кинетическая форма энергии (энергия движения) не фундаментальна, а зависит от движения наблюдателя. Если вы движетесь навстречу фотону, его энергия для вас будет казаться больше (длина волны сдвигается в синюю часть спектра), а если вы двигаетесь от него, его энергия будет меньше, и он будет казаться сдвинутым в красную часть спектра. Энергия относительна, но для любого наблюдателя она сохраняется. Вне зависимости от взаимодействий энергия никогда не существует сама по себе, а только лишь как часть системы частиц, массивных или нет.


Энергия может менять формы, даже превращаться из энергии массы в чисто кинетическую, но всегда существует в виде частиц

Есть один вид энергии, которая, вероятно, может обойтись без частиц: тёмная энергия. Та форма энергии, что заставляет Вселенную расширяться с ускорением, может оказаться энергией, присущей самой ткани Вселенной! Такая интерпретация тёмной энергии внутренне непротиворечива и совпадает с наблюдениями за удалёнными и удаляющимися от нас галактиками и квазарами. Единственная проблема – эту форму энергии нельзя использовать для создания или уничтожения частиц, и конвертировать между другими формами энергии. Она кажется сущностью в себе, не связанной взаимодействиями с другими формами энергии, существующими во Вселенной.


Без тёмной энергии Вселенная бы не ускорялась. Но до этой энергии через другие частицы Вселенной добраться никак нельзя.

Так что полностью ответ на вопрос о существовании чистой энергии будет таким:

• Для всех существующих частиц, массивных и нет, энергия – одно из их свойств, и не может существовать отдельно.
• Для всех ситуаций, в которых кажется, что энергия теряется в системе, допустим, при гравитационном угасании, существует какая-либо форма излучения, уносящая эту энергию, сохраняя её.
• Тёмная энергия может оказаться чистейшей формой энергии, существующей вне зависимости от частиц, но, за исключением расширения Вселенной, эта энергия недоступна ни для чего другого во Вселенной.

Насколько нам известно, энергия – это не то, что можно изолировать в лаборатории, но одно из множества свойств, которыми обладают материя, антиматерия и излучение. Создание независимой от частиц энергии? Возможно, Вселенная этим и занимается, но пока мы не научимся создавать или уничтожать пространство-время, у нас такие действия не выходят.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (24):

  1. vibornoff
    /#10447493

    Тёмная энергия может оказаться чистейшей формой энергии, существующей вне зависимости от частиц, но, за исключением расширения Вселенной, эта энергия недоступна ни для чего другого во Вселенной.

    Предлагаю мысленный эксперимент:
    1. бесконечно тонкая и прочная нить связана с гравитирующей массой, помещенной в удаляющуюся в соответствии с законом Хаббла галактику;
    2. другой конец этой нити находится в нашей галактике и намотан на шкив рабочего колеса;
    3. галактика удаляется, нить разматывается и вращает рабочее колесо;
    4. ...
    5. PROFIT :-D

    • DrSavinkov
      /#10447535 / +1

      А при необходимости ту галактику можно притянуть обратно за ту же нить?

    • Marwin
      /#10447543

      привязанная галактика перестанет ускоренно удаляться, когда приблизится к скорости света относительно нас? Так же как и близ лежащие галактики не разлетаются, связанные гравитацией. В чем разница-то силы связывания: что нить, что гравитация? Ну я к тому, что разматывание нити совершает работу. При условии, что нить нельзя порвать, необходимая сила для совершения работы разматывания начнёт стремиться к бесконечности при приближении к «с».

    • Ig_B
      /#10447783

      А еще лучше, нить опущенная в черную дыру…

    • valemak
      /#10448263

      Возможно, парадокс решается тем, что Вам придётся затратить энергию на создание этой системы. Грубо говоря, потратите энергию, чтобы намотать нить на шкив. По итоговому балансу «затраты/получение энергии» при разматывании нити в идеальном случае выйдете в ноль, на практике — окажетесь в минусе. То есть, не получите на халяву энергию из разбегания галактик.

      • HappyLynx
        /#10448301

        Ну нет. Наматываю я легкую тончайшую нить на ни к чему не подключенный шкив, а якорю потом за галактику, на торможение (замедление убегания из-за расширения пространства) галактики однозначно уйдет сильно больше энергии, чем на намотку, причем количество этой энергии зависит от массы галактики, а количество энергии на намотку, очевидно, не зависит, так что ножички я таки на шкиве нахаляву-то поточу.

  2. Angmarets
    /#10447553 / +5

    Уже к середине я начал переживать. Что-то было не так. Чего-то не хватало. Руки начали дрожать, глаза напряженно вглядывались в монитор. Этого не могло произойти. Это же Итан. Он не мог так поступить. Мозг все еще пытался читать текст, но пальцы сами крутили колесико мыши все быстрей и быстрей. Расстояние между скролбаром и низом экрана уменьшалось, и вместе с ним таяла надежда увидеть такой знакомый, но от того не менее желанный, образ. Но подождте, что это? Неужели? Темный фон, символизирующий пустоту космоса и две линии, разбегающиеся в разные стороны, разрывая саму ткань пространства. Это она. ЭТО ОНА. Расширяющаяся вселенная. Итан, ты знал. Ты всегда знал что нам нужно. Ты играл с нами, спрятав картинку в конец статьи. Я одновременно ненавижу тебя за это и благодарю за сладосное ожидание.

    • igruh
      /#10448605

      Приз в номинации лучший эротонаучный триллер.

    • askv
      /#10448731 / -2

      Открыл статью, чтобы убедиться, что под ней есть подобный комментарий :)

  3. Nuwen
    /#10447555

    Всегда казалось интересным, что существует такой вид энергии как потенциальная. Когда ничто не трещит, не жужжит и не светится, а просто спокойно лежит гантель на полочке над кроватью.

    • Sdima1357
      /#10447713

      У гантели энергия в данном случае отрицательная. Она находится в потенциальной яме гравитации Земли. Просто вы на кровати находитесь ещё глубже :)

    • coturnix19
      /#10448275

      Это в ньютоновской механике спокойно лежит, а релятивизм требует локализации этой самой энергии — таким образом что она может и не жужжит, но где-то конкретно находится. А самый разрыв шаблона получается если попытаетесь вообразить, где находится, например, энергия текущего по проводу электричества.

      • slovak
        /#10448765

        А самый разрыв шаблона получается если попытаетесь вообразить, где находится, например, энергия текущего по проводу электричества.


        Согласно ТОЭ и определению вектора Пойнтинга (см. Вики.) энергия находится в диэлектрике между проводниками. Ум не сразу соглашается принять это.

        • Victor_koly
          /#10449335

          ТОЭ я не учил, а вот поток вектора Пойнтинга — это то самое I^2*R. Направлена от проводника, пока он прямой.

  4. smart_alex
    /#10447669

    Ну старина Итан отжигает… Простите, не удержался :)

  5. kauri_39
    /#10448045

    "Тёмная энергия может оказаться чистейшей формой энергии, существующей вне зависимости от частиц, но, за исключением расширения Вселенной, эта энергия недоступна ни для чего другого во Вселенной."


    Да эта энергия всё и движет. Ведь под ней подразумевается энергетически плотная среда (эфир/вакуум), которая постоянно расширяется и при этом не снижает своей плотности.
    Поэтому она расширяется и течёт в сторону массивных тел, материя которых её поглощает, и это образует гравполе тел. В эффекте Казимира она придавливает пластины друг к другу, поскольку между ними плотность энергии ниже (вычитаются виртуальные фотоны с частотой, кратной длине зазора между пластинами). Она движет em-drive, поскольку с внешней стороны большого торца резонатора её плотность выше, чем с внутренней стороны этого торца, где концентрируются фотоны мкв-излучения, которые её поглощают.
    Что интересно, материя не только поглощает среду и снижает её плотность, она может и кратковременно повышать её плотность, если вдруг уменьшит свою массу. Например, при слиянии чёрных дыр масса единой дыры уменьшается, и от неё распространяются гравволны — волны уплотнения/сжатия-разрежения/растяжения среды. При ядерном или химическом дефекте масс тоже выделяется "чистая энергия" кратковременного уплотнения среды, которая расширяется во все стороны и увлекает с собой материю.
    Двигатель Алькубьерре тоже должен перемещаться за счёт создания разности плотностей среды спереди и сзади него. Спереди плотность должна снижаться (геометрия Римана), а сзади — повышаться (геометрия Лобачевского).

  6. Eldhenn
    /#10448103

    Читать определения из учебника физики уже не модно?

    • OKyJIucT
      /#10448763

      Если учебник старый, это может быть ещё и вредно. Время идёт, совершаются открытия, уточняются теории.

      • Eldhenn
        /#10449375

        Ммм. Давно последний раз "уточнялось" определение понятия "энергия"?

        • OKyJIucT
          /#10449383

          Да я не конкретно по энергию, а в целом о науке и имеющихся в определённый момент времени научных теорий. Например, когда я учился в школе, Плутон ещё был 9 планетой солнечной системы. А теперь уже нет. Время идёт, знания дополняются только в новых учебниках.

          • Eldhenn
            /#10449797

            Ваши слова никак не связаны с моими. Я говорил о фундаментальных физических понятиях, одним из которых является энергия.

            • OKyJIucT
              /#10449939

              Связаны. Не во всех учебниках есть правильное определение энергии. Причем как автор может трактовать его по своему, так и учебник может быть издан до важных открытий, благодаря которым определение энергии изменилось. Не говоря уже о десятке видов энергии.

              Например, в Вики в статье «Энергия» есть подраздел «История термина».

              • Eldhenn
                /#10454025

                учебник может быть издан до важных открытий

                Где-то лет двести назад? Во времена теплорода?


                Не говоря уже о десятке видов энергии

                Вы в Вики сразу перелистнули на "историю", а первые строчки прочесть забыли?


                автор может трактовать его по своему

                Не может. Иначе это не автор, а [УДАЛЕНО].

  7. scifinder
    /#10449697

    Наш читатель из Москвы задаёт вопрос

    Уж не сам ли переводчик задал этот вопрос?)