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].
Комментарии (24)
Angmarets
17.11.2017 17:23+5Уже 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.
Nuwen
17.11.2017 17:23Всегда 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
17.11.2017 18:39У гантели энергия в данном случае отрицательная. Она находится в потенциальной яме гравитации Земли. Просто вы на кровати находитесь ещё глубже :)
coturnix19
18.11.2017 00:36Это 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
18.11.2017 11:38А 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
18.11.2017 21:51ТОЭ я не учил, а вот поток вектора Пойнтинга — это то самое I^2*R. Направлена от проводника, пока он прямой.
kauri_39
17.11.2017 21:46"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).
Eldhenn
17.11.2017 22:18Читать определения из учебника физики уже не модно?
OKyJIucT
18.11.2017 11:36Если учебник старый, это может быть ещё и вредно. Время идёт, совершаются открытия, уточняются теории.
Eldhenn
18.11.2017 22:25Ммм. Давно последний раз "уточнялось" определение понятия "энергия"?
OKyJIucT
18.11.2017 22:31Да 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
19.11.2017 10:50Ваши слова никак не связаны с моими. Я говорил о фундаментальных физических понятиях, одним из которых является энергия.
OKyJIucT
19.11.2017 13:01Связаны. 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
21.11.2017 09:37учебник 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].
scifinder
19.11.2017 08:01Наш читатель из Москвы задаёт вопрос
Уж не сам ли переводчик задал этот вопрос?)
vibornoff
Предлагаю мысленный эксперимент:
DrSavinkov
А при необходимости ту галактику можно притянуть обратно за ту же нить?
Marwin
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
А еще лучше, нить опущенная в черную дыру…
valemak
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
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.