Un eveniment cu bosonul Higgs, așa cum este văzut în detectorul Compact Muon Solenoid de la Large Hadron Collider. Această… o singură coliziune de mare energie ilustrează puterea de conversie a energiei, care există întotdeauna sub formă de particule.
CERN / CMS Collaboration
Energia joacă un rol extraordinar, nu numai în viața noastră de zi cu zi, bogată în tehnologie, ci și în fizica fundamentală. Energia chimică înmagazinată în benzină se transformă în energie cinetică care ne propulsează vehiculele, în timp ce energia electrică provenită de la centralele noastre electrice se transformă în lumină, căldură și alte forme de energie în casele noastre. Dar această energie pare să existe întotdeauna ca o simplă proprietate a unui sistem care, de altfel, există în mod independent. Trebuie să fie întotdeauna așa? Alex din Moscova ne scrie cu o întrebare despre energia însăși:
„Energia pură , poate cu foarte puțin timp înainte de a se transforma într-o particulă sau un foton? Sau este doar o abstracție matematică utilă, un echivalent pe care îl folosim în fizică?”
La un nivel fundamental, energia poate lua mai multe forme.
Particulele cunoscute din Modelul Standard. Acestea sunt toate particulele fundamentale care au fost… descoperite în mod direct; cu excepția câtorva dintre bosoni, toate particulele au masă.
E. Siegel
Cea mai simplă și mai cunoscută formă de energie dintre toate este în termeni de masă. În mod normal, nu vă gândiți în termeni de E = mc2 a lui Einstein, dar fiecare obiect fizic care a existat vreodată în acest Univers este alcătuit din particule masive și, prin simplul fapt că au masă, aceste particule au energie. Dacă aceste particule sunt în mișcare, ele au și o formă suplimentară de energie: energia cinetică, sau energia mișcării.
Transițiile de electroni în atomul de hidrogen, împreună cu lungimile de undă ale fotonilor rezultați,… arată efectul energiei de legătură.
Utilizatorii Wikimedia Commons Szdori și OrangeDog
În cele din urmă, aceste particule se pot lega între ele într-o varietate de moduri, formând structuri mai complexe, cum ar fi nuclee, atomi, molecule, celule, organisme, planete și multe altele. Această formă de energie este cunoscută sub numele de energie de legătură și are de fapt un efect negativ. Ea reduce masa de repaus a întregului sistem, motiv pentru care fuziunea nucleară, care are loc în miezul stelelor, poate emite atât de multă lumină și căldură: prin transformarea masei în energie prin intermediul aceluiași E = mc2. De-a lungul istoriei de 4,5 miliarde de ani a Soarelui, acesta a pierdut aproximativ masa lui Saturn prin simpla fuziune a hidrogenului în heliu.
Soarele, prezentat aici, își generează energia prin fuziunea hidrogenului în heliu în miezul său, pierzând mici… cantități de masă în acest proces. De-a lungul vieții sale, a pierdut prin acest proces aproximativ masa lui Saturn.
NASA / Solar Dynamics Observatory (SDO)
Soarele însuși oferă un alt exemplu de energie: lumină și căldură, care vine sub formă de fotoni, care sunt diferiți de formele de energie pe care le-am considerat până acum. Există, de asemenea, particule fără masă – particule fără energie de repaus – și aceste particule, precum fotonii, gluonii și (ipotetic) gravitonii, se deplasează toate cu viteza luminii. Cu toate acestea, ele transportă energie sub formă de energie cinetică și, în cazul gluonilor, sunt responsabile de energia de legătură din interiorul nucleelor atomice și al protonilor înșiși.
Teoria libertății asimptotice, care descrie puterea interacțiunilor quarcilor în interiorul unui… nucleu, a meritat un premiu Nobel pentru Wilczek, Politzer și Gross.
Wikimedia Commons user Qashqaiilove
Întrebarea fundamentală care se pune aici este dacă energia însăși poate exista independent de oricare dintre aceste particule. A existat o posibilitate tentantă ca acest lucru să se întâmple sub forma gravitației: timp de multe decenii, am urmărit orbitele stelelor neutronice binare: două rămășițe stelare prăbușite care orbitează una în jurul celeilalte. Mulțumită măsurătorilor de sincronizare a pulsarilor, în care una dintre stele trimite pulsuri foarte regulate în direcția noastră, am putut detecta că aceste orbite se dezintegrează și intră în spirală una în cealaltă. Pe măsură ce energia lor de legătură a crescut, trebuie să existe o formă de energie radiată. Am putut detecta efectele dezintegrării, dar nu și energia radiată în sine.
În timp ce două stele neutronice orbitează una în jurul celeilalte, teoria relativității generale a lui Einstein prezice dezintegrarea… orbitală și emisia de radiații gravitaționale.
NASA (L), Institutul Max Planck pentru Radioastronomie / Michael Kramer
Singura modalitate de a explica acest lucru ar fi dacă ar exista un anumit tip de radiație gravitațională: am avea nevoie de unde gravitaționale pentru a fi reale. Prima fuziune de găuri negre detectată de LIGO, de la evenimentul din 14 septembrie 2015, ar pune acest lucru la încercare. La acea dată, am detectat două găuri negre care intrau în spirală una în cealaltă și undele gravitaționale directe emise de această coalescență. Găurile negre originale aveau 36 și 29 de mase solare; masa finală, după fuziune, a fost de 62 de mase solare.
Statisticile vitale ale fuziunii găurilor negre din 14 septembrie 2015. Observați cum există trei mase… solare care se pierd în urma fuziunii, dar acea energie supraviețuiește sub formă de radiație gravitațională.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration și Virgo Collaboration)
Aceste trei mase solare lipsă? Au fost emise sub formă de unde gravitaționale, iar magnitudinea undelor pe care le-am detectat a fost exact cantitatea necesară pentru a compensa cantitatea necesară pentru a le conserva, până la urmă. E = mc2 a lui Einstein, iar energia fiind transportată ca parte a unui tip de particulă sau fenomen fizic, a fost confirmată din nou.
Inspirația și fuziunea primei perechi de găuri negre observate vreodată în mod direct.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration și Virgo Collaboration)
Energia vine într-o varietate de forme, iar unele dintre aceste forme sunt fundamentale. Energia masei de repaus a unei particule nu se modifică în timp și, de fapt, nu se schimbă de la o particulă la alta. Este un tip de energie care este inerentă tuturor lucrurilor din Universul însuși. Dar toate celelalte forme de energie care există sunt relative. Un atom aflat într-o stare excitată are mai multă energie decât un atom aflat în stare fundamentală, iar acest lucru se datorează diferenței de energie de legătură. Și dacă doriți să faceți tranziția către o stare cu energie mai mică? Trebuie să emiți un foton pentru a ajunge acolo; nu poți face acea tranziție fără a conserva energie, iar acea energie trebuie să fie transportată de o particulă – chiar și una fără masă – pentru ca acest lucru să se întâmple.
În această ilustrație, un foton (violet) transportă de un milion de ori mai multă energie decât un altul (galben)…. Datele Fermi privind doi fotoni dintr-o explozie de raze gamma nu reușesc să arate nicio întârziere de deplasare, demonstrând constanța vitezei luminii în funcție de energie.
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Poate că o ciudățenie a acestui lucru este că energia fotonică, sau orice formă de energie cinetică (adică energia mișcării), este că valoarea ei nu este fundamentală, ci mai degrabă depinde de mișcarea observatorului. Dacă vă deplasați spre un foton, veți constata că energia sa pare mai mare (deoarece lungimea sa de undă este deplasată spre albastru), iar dacă vă îndepărtați de el, energia sa va fi mai mică și va apărea deplasată spre roșu. Energia este relativă, dar ceea ce este interesant este că, pentru orice observator, ea se păstrează întotdeauna. Oricare ar fi interacțiunile, energia nu este niciodată văzută ca existând de una singură, ci doar ca parte a unui sistem de particule, fie ele masive sau fără masă.
Energia poate fi transformată dintr-o formă în alta, chiar și din energie de masă de repaus în energie pur cinetică…. energie, dar aceasta există întotdeauna sub formă de particule.
Andrew Deniszczyc, 2017
Există totuși o formă de energie care ar putea să nu aibă nevoie deloc de o particulă: energia întunecată. Forma de energie care face ca expansiunea Universului să accelereze ar putea foarte bine să fie energia inerentă țesăturii Universului însuși! Această interpretare a energiei întunecate este coerentă și se potrivește perfect cu observațiile galaxiilor îndepărtate și îndepărtate și ale quasarilor pe care îi vedem. Singura problemă? Din câte se pare, această formă de energie nu poate fi folosită pentru a crea sau distruge particule și nici nu poate fi convertită în și din alte forme de energie. Ea pare a fi o entitate proprie, deconectată de la interacțiunea cu celelalte forme de energie prezente în Univers.
Fără energie întunecată, Universul nu ar fi accelerat. Dar nu există nicio modalitate de a accesa acea energie… prin intermediul altor particule din Univers.
NASA & ESA, de modele posibile ale Universului în expansiune
Atunci răspunsul complet la întrebarea dacă există energie pură este:
- Pentru toate particulele care există, masive și fără masă, energia este doar o proprietate a acestora, și nu poate exista independent.
- Pentru toate situațiile în care energia pare să se piardă într-un sistem, cum ar fi prin dezintegrare gravitațională, există o formă de radiație care transportă acea energie, lăsând-o conservată.
- Și acea energie întunecată poate fi ea însăși cea mai pură formă de energie, existând independent de particule, dar în ceea ce privește orice alt efect în afară de expansiunea Universului, acea energie este inaccesibilă pentru orice altceva din Univers.
Din câte putem spune, energia nu este ceva ce putem izola într-un laborator, ci doar una dintre multele proprietăți pe care materia, antimateria și radiația le posedă toate. Crearea energiei independent de particule? Ar putea fi ceva ce Universul însuși face, dar până când nu vom învăța cum să creăm (sau să distrugem) spațiu-timpul însuși, ne aflăm în imposibilitatea de a face acest lucru.
Trimiteți întrebările dumneavoastră Ask Ethan la startswithabang at gmail dot com!