Událost s Higgsovým bosonem, jak ji vidíme v detektoru Compact Muon Solenoid na Velkém hadronovém urychlovači. Tato… jedna vysokoenergetická srážka ilustruje sílu přeměny energie, která vždy existuje ve formě částic.
CERN / CMS Collaboration
Energie hraje obrovskou roli nejen v našem technologicky bohatém každodenním životě, ale také v základní fyzice. Chemická energie uložená v benzínu se přeměňuje na kinetickou energii, která pohání naše vozidla, zatímco elektrická energie z našich energetických planet se v našich domácnostech přeměňuje na světlo, teplo a další formy energie. Zdá se však, že tato energie vždy existuje pouze jako jedna z vlastností jinak nezávisle existujícího systému. Musí tomu tak být vždy? Alex z Moskvy píše s otázkou o energii jako takové:
„Existuje čistá energie , možná velmi krátce před přeměnou na částici nebo foton? Nebo je to jen užitečná matematická abstrakce, ekvivalent, který používáme ve fyzice?“
Na základní úrovni může mít energie mnoho podob.
Známé částice ve standardním modelu. Jsou to všechny základní částice, které byly… přímo objeveny; s výjimkou několika bosonů mají všechny částice hmotnost.
E. Siegel
Nejjednodušší a nejznámější forma energie ze všech je ve smyslu hmotnosti. Obvykle nepřemýšlíte v termínech Einsteinova E = mc2, ale každý fyzikální objekt, který kdy v tomto vesmíru existoval, je tvořen hmotnými částicemi a jednoduše tím, že mají hmotnost, mají tyto částice energii. Pokud se tyto částice pohybují, mají také další formu energie: kinetickou energii neboli energii pohybu.
Přechody elektronů v atomu vodíku spolu s vlnovými délkami výsledných fotonů jsou… ukazují efekt vazebné energie.
Uživatelé Wikimedia Commons Szdori a OrangeDog
Nakonec se tyto částice mohou různými způsoby spojovat a vytvářet složitější struktury, jako jsou jádra, atomy, molekuly, buňky, organismy, planety a další. Tato forma energie se nazývá vazebná energie a má ve skutečnosti záporný účinek. Snižuje klidovou hmotnost celého systému, což je důvod, proč jaderná fúze, probíhající v jádrech hvězd, může vyzařovat tolik světla a tepla: přeměnou hmotnosti na energii prostřednictvím stejného E = mc2. Za 4,5 miliardy let historie Slunce ztratilo pouhým slučováním vodíku na helium přibližně hmotnost Saturnu.
Slunce, zobrazené na obrázku, získává energii slučováním vodíku na helium ve svém jádře, přičemž při tom ztrácí malé… množství hmoty. Za dobu své existence tímto procesem ztratilo přibližně hmotnost Saturnu.
NASA / Solar Dynamics Observatory (SDO)
Slunce samo o sobě poskytuje další příklad energie: světlo a teplo, které přichází ve formě fotonů, jež se liší od forem energie, které jsme dosud uvažovali. Existují také bezhmotné částice – částice bez klidové energie – a tyto částice se stejně jako fotony, gluony a (hypoteticky) gravitony pohybují rychlostí světla. Nesou však energii v podobě kinetické energie a v případě gluonů jsou zodpovědné za vazebnou energii uvnitř atomových jader a samotných protonů.
Teorie asymptotické volnosti, popisující sílu kvarkových interakcí uvnitř a.. jádra, stála Wilczekovi, Politzerovi a Grossovi za Nobelovu cenu.
Uživatel Wikimedia Commons Qashqaiilove
Základní otázkou, o kterou zde jde, je, zda samotná energie může existovat nezávisle na některé z těchto částic. Existovala lákavá možnost, že by tomu tak mohlo být v podobě gravitace: po mnoho desetiletí jsme sledovali dráhy binárních neutronových hvězd: dva zhroucené hvězdné zbytky obíhající kolem sebe. Díky měřením časování pulsarů, kdy jedna z hvězd vysílá velmi pravidelné pulsy naším směrem, jsme byli schopni zjistit, že se tyto dráhy rozpadají a spirálovitě se do sebe zaklesávají. Jak jejich vazebná energie stoupala, musela se nějaká forma energie vyzařovat pryč. Mohli jsme detekovat účinky rozpadu, ale ne samotnou vyzářenou energii.
Při vzájemném obíhání dvou neutronových hvězd Einsteinova obecná teorie relativity předpovídá orbitální… rozpad a vyzařování gravitačního záření.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
Jediný způsob, jak to vysvětlit, by byl, kdyby existoval nějaký typ gravitačního záření: potřebovali bychom gravitační vlny, aby byly skutečné. První detekované splynutí černých děr z LIGO, z události 14. září 2015, by to prověřilo. Toho dne jsme detekovali dvě černé díry, které do sebe spirálovitě vstupovaly, a přímé gravitační vlny vyzařované z tohoto sbližování. Původní černé díry měly hmotnost 36 a 29 hmotností Slunce; konečná hmotnost po splynutí byla 62 hmotností Slunce.
Životní statistika splynutí černých děr ze 14. září 2015. Všimněte si, jak se při splynutí ztratily tři sluneční… hmotnosti, ale tato energie přežila v podobě gravitačního záření.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Ty chybějící tři sluneční hmotnosti? Byly vyzařovány ve formě gravitačních vln a velikost vln, které jsme detekovali, byla přesně taková, aby doplnila množství potřebné k jejich zachování, koneckonců. Opět se potvrdilo Einsteinovo E = mc2 a to, že energie je přenášena jako součást nějakého typu částice nebo fyzikálního jevu.
Inspirace a splynutí prvního páru černých děr, který byl kdy přímo pozorován.
B. P. Abbott a další (LIGO Scientific Collaboration a Virgo Collaboration)
Energie má různé formy a některé z těchto forem jsou fundamentální. Energie klidové hmotnosti částice se v čase nemění a vlastně se nemění ani u jednotlivých částic. Je to druh energie, který je vlastní všemu ve vesmíru jako takovém. Ale všechny ostatní formy energie, které existují, jsou relativní. Atom v excitovaném stavu má více energie než atom v základním stavu, a to díky rozdílu vazebné energie. A pokud chcete provést tento přechod do stavu s nižší energií? Abyste se tam dostali, musíte vyzářit foton; tento přechod nemůžete uskutečnit bez zachování energie, a aby se tak stalo, musí tuto energii nést částice – dokonce i částice bez hmotnosti.
Na tomto obrázku nese jeden foton (fialový) milionkrát více energie než jiný (žlutý)….. Fermiho data o dvou fotonech z gama záblesku nevykazují žádné zpoždění při cestě, což ukazuje na stálost rychlosti světla napříč energií.
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Možná zvláštnost spočívá v tom, že energie fotonu nebo jakákoli forma kinetické energie (tj. energie pohybu) není fundamentální, ale její hodnota závisí na pohybu pozorovatele. Pokud se budete pohybovat směrem k fotonu, bude se vám jeho energie jevit jako větší (protože jeho vlnová délka je modře posunutá), a pokud se od něj budete vzdalovat, bude jeho energie menší a bude se jevit jako červeně posunutý. Energie je relativní, ale zajímavé je, že pro každého pozorovatele se vždy zachovává. Bez ohledu na interakce nikdy není vidět, že by energie existovala sama o sobě, ale pouze jako součást systému částic, ať už hmotných nebo bezhmotných.
Energii lze přeměnit z jedné formy na jinou, dokonce i z energie klidové hmotnosti na čistě kinetickou…. energie, ale vždy existuje ve formě částic.
Andrew Deniszczyc, 2017
Existuje však jedna forma energie, která vůbec nemusí mít částice: temná energie. Forma energie, která způsobuje zrychlování rozpínání vesmíru, může být docela dobře energií vlastní samotné struktuře vesmíru! Tento výklad temné energie je konzistentní sám o sobě a přesně odpovídá pozorováním vzdálených, vzdalujících se galaxií a kvazarů, které vidíme. Jediný problém? Tato forma energie, pokud víme, nemůže být použita k vytvoření nebo zničení částic, ani nemůže být přeměněna na jiné formy energie nebo z nich. Zdá se, že je to samostatná entita, odpojená od interakce s ostatními formami energie přítomnými ve vesmíru.
Bez temné energie by se vesmír nezrychloval. Ale neexistuje žádný způsob, jak se k této energii dostat… prostřednictvím jiných částic ve vesmíru.
NASA & ESA, z možných modelů rozpínajícího se vesmíru
Úplná odpověď na otázku, zda existuje čistá energie, tedy zní:
- Pro všechny existující částice, hmotné i nehmotné, je energie pouze jednou z jejich vlastností a nemůže existovat samostatně.
- Pro všechny situace, kdy se zdá, že se energie v systému ztrácí, například v důsledku gravitačního rozpadu, existuje nějaká forma záření, která tuto energii odnáší a ponechává ji zachovanou.
- A tato temná energie sama o sobě může být nejčistší formou energie, existující nezávisle na částicích, ale pokud jde o jakýkoli jiný účinek než rozpínání vesmíru, je tato energie nedostupná všemu ostatnímu ve vesmíru.
Pokud můžeme říci, energie není něco, co můžeme izolovat v laboratoři, ale pouze jedna z mnoha vlastností, které mají hmota, antihmota a záření. Vytváření energie nezávisle na částicích? Možná je to něco, co dělá sám vesmír, ale dokud se nenaučíme, jak vytvořit (nebo zničit) samotný časoprostor, zjistíme, že nejsme schopni to udělat.
Pošlete své otázky Ethanovi na adresu startswithabang at gmail dot com!