En Higgs boson-begivenhed set i Compact Muon Solenoid-detektoren ved Large Hadron Collider. Denne … én højenergikollision illustrerer kraften i energiomdannelse, som altid findes i form af partikler.
CERN / CMS Collaboration
Energi spiller en enorm rolle, ikke kun i vores teknologirige hverdag, men også i den grundlæggende fysik. Den kemiske energi, der er lagret i benzin, bliver omdannet til kinetisk energi, som driver vores køretøjer, mens den elektriske energi fra vores kraftplaneter bliver omdannet til lys, varme og andre former for energi i vores hjem. Men denne energi synes altid kun at eksistere som en egenskab i et ellers uafhængigt eksisterende system. Skal det altid være sådan? Alex fra Moskva skriver ind med et spørgsmål om selve energien:
“Er ren energi , måske meget kort tid før den bliver til en partikel eller en foton? Eller er det bare en nyttig matematisk abstraktion, en ækvivalent, som vi bruger i fysikken?”
På et fundamentalt niveau kan energi antage mange former.
De kendte partikler i standardmodellen. Det er alle de fundamentale partikler, der er blevet … direkte opdaget; med undtagelse af nogle få af bosonerne har alle partikler masse.
E. Siegel
Den enkleste og mest kendte form for energi af alle er i form af masse. Man tænker normalt ikke på Einsteins E = mc2, men ethvert fysisk objekt, der nogensinde har eksisteret i dette univers, er lavet af massive partikler, og alene ved at have masse har disse partikler energi. Hvis disse partikler er i bevægelse, har de også en yderligere form for energi: kinetisk energi, eller bevægelsesenergi.
Elektronovergange i brintatomet, sammen med bølgelængderne af de resulterende fotoner,… viser effekten af bindingsenergi.
Wikimedia Commons-brugere Szdori og OrangeDog
Endeligt kan disse partikler forbindes sammen på en række forskellige måder og danne mere komplekse strukturer som kerner, atomer, molekyler, celler, organismer, planeter og meget mere. Denne form for energi er kendt som bindingsenergi og er faktisk negativ i sin virkning. Den reducerer det samlede systems hvilemasse, hvilket er grunden til, at kernefusion, der finder sted i stjernernes kerner, kan udsende så meget lys og varme: ved at omdanne masse til energi via den samme E = mc2. I løbet af Solens 4,5 milliarder år lange historie har den mistet ca. samme masse som Saturn ved blot at fusionere brint til helium.
Solen, der er vist her, genererer sin energi ved at fusionere brint til helium i sin kerne og mister små … mængder masse i processen. I løbet af sin levetid har den mistet ca. samme masse som Saturn ved denne proces.
NASA / Solar Dynamics Observatory (SDO)
Solen selv giver et andet eksempel på energi: lys og varme, der kommer i form af fotoner, som er forskellige fra de energiformer, vi har betragtet indtil nu. Der findes også masseløse partikler – partikler uden hvileenergi – og disse partikler, ligesom fotoner, gluoner og (hypotetisk set) gravitoner, bevæger sig alle med lysets hastighed. De bærer dog energi i form af kinetisk energi, og i gluonernes tilfælde er de ansvarlige for bindingsenergien inde i atomkerner og selve protonerne.
Theorien om asymptotisk frihed, der beskriver styrken af kvarkinteraktionerne inde i en…. kerne, var Wilczek, Politzer og Gross en Nobelpris værd.
Wikimedia Commons-bruger Qashqaiilove
Det grundlæggende spørgsmål, der er på spil her, er, om selve energien kan eksistere uafhængigt af nogen af disse partikler. Der var en fristende mulighed for, at dette kunne være tilfældet i form af gravitation: I mange årtier havde vi iagttaget kredsløbene for binære neutronstjerner: to kollapsede stjerne-rester, der kredser om hinanden. Takket være målinger af pulsartiming, hvor den ene af stjernerne sender meget regelmæssige impulser i vores retning, kunne vi konstatere, at disse baner var i forfald og i spiralform ind i hinanden. I takt med at deres bindingsenergi steg, må der være en eller anden form for energi, der blev udstrålet væk. Vi kunne registrere virkningerne af henfaldet, men ikke selve den udstrålede energi.
Da to neutronstjerner kredser om hinanden, forudsiger Einsteins generelle relativitetsteori banernes … henfald og udstråling af gravitationsstråling.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
Den eneste måde at forklare det på ville være, hvis der var en eller anden form for gravitationsstråling: Vi ville have brug for gravitationsbølger for at være reelle. Den første detekterede fusion af sorte huller fra LIGO, fra hændelsen den 14. september 2015, ville sætte dette på en prøve. På den dato opdagede vi to sorte huller, der spiralformede sig ind i hinanden, og de direkte gravitationsbølger, der blev udsendt fra denne sammensmeltning. De oprindelige sorte huller var på 36 og 29 solmasser; den endelige masse efter fusionen var 62 solmasser.
De vitale statistikker for fusionen af sorte huller den 14. september 2015. Bemærk, hvordan der er tre sol… masser, der går tabt ved fusionen, men at energien overlever i form af gravitationsstråling.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
De manglende tre solmasser? De blev udsendt i form af gravitationsbølger, og størrelsen af de bølger, vi opdagede, var præcis den mængde, der var nødvendig for at opveje den mængde, der er nødvendig for at bevare den, når alt kommer til alt. Einsteins E = mc2, og at energi bæres som en del af en eller anden form for partikel eller fysisk fænomen, blev bekræftet igen.
Inspirationen og sammensmeltningen af det første par sorte huller nogensinde direkte observeret.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Energi findes i en række forskellige former, og nogle af disse former er fundamentale. En partikels hvilemasseenergi ændrer sig ikke over tid, og den ændrer sig faktisk ikke fra partikel til partikel. Det er en form for energi, der er iboende i alt i selve universet. Men alle de andre former for energi, der findes, er relative. Et atom i en exciteret tilstand har mere energi end et atom i en grundtilstand, og det skyldes forskellen i bindingsenergi. Og hvis man ønsker at foretage overgangen til en tilstand med lavere energi? Du er nødt til at udsende en foton for at komme dertil; du kan ikke foretage denne overgang uden at bevare energi, og denne energi skal bæres af en partikel – selv en masseløs – for at det kan lade sig gøre.
I denne illustration bærer en foton (lilla) en million gange så meget energi som en anden (gul)….. Fermi-data om to fotoner fra et gammastråleudbrud viser ikke nogen rejseforsinkelse, hvilket viser lysets hastighedskonstant på tværs af energi.
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Måske er det en mærkværdighed ved dette, at fotonenergi, eller enhver form for kinetisk energi (dvs. bevægelsesenergi), er, at dens værdi ikke er fundamental, men snarere afhænger af observatørens bevægelse. Hvis man bevæger sig hen imod en foton, vil man opdage, at dens energi forekommer større (da dens bølgelængde er blåforskudt), og hvis man bevæger sig væk fra den, vil dens energi være mindre, og den vil forekomme rødforskudt. Energi er relativ, men det interessante er, at den altid er bevaret for enhver observatør. Uanset hvilke vekselvirkninger der er tale om, ses energi aldrig at eksistere alene, men kun som en del af et system af partikler, uanset om de er massive eller masseløse.
Energi kan omdannes fra en form til en anden, selv fra hvilemasseenergi til rent kinetisk energi…. energi, men den findes altid i form af partikler.
Andrew Deniszczyc, 2017
Der er dog en form for energi, som måske slet ikke har brug for en partikel: mørk energi. Den form for energi, der får universets ekspansion til at accelerere, kan meget vel være energi, der er iboende i selve universets stof! Denne fortolkning af mørk energi er selvkonsistent og passer nøjagtigt til de observationer af fjerne, tilbagetrukne galakser og kvasarer, som vi ser. Det eneste problem? Denne form for energi kan, så vidt vi kan se, hverken bruges til at skabe eller ødelægge partikler eller omdannes til og fra andre former for energi. Den synes at være sin egen enhed, der er afskåret fra at interagere med de andre energiformer, der findes i universet.
Og uden mørk energi ville universet ikke accelerere. Men der er ingen måde at få adgang til denne energi… via andre partikler i universet.
NASA & ESA, af mulige modeller af det ekspanderende univers
Så det fulde svar på spørgsmålet om, hvorvidt ren energi eksisterer, er:
- For alle de partikler, der eksisterer, massive og masseløse, er energi kun én egenskab af dem, og kan ikke eksistere uafhængigt af hinanden.
- For alle de situationer, hvor energi synes at gå tabt i et system, f.eks. ved gravitationelt henfald, eksisterer der en eller anden form for stråling, der bærer denne energi væk og lader den forblive bevaret.
- Og denne mørke energi kan i sig selv være den reneste form for energi, der eksisterer uafhængigt af partikler, men for så vidt angår enhver anden effekt end universets udvidelse, er denne energi utilgængelig for alt andet i universet.
Så vidt vi kan se, er energi ikke noget, vi kan isolere i et laboratorium, men kun en af mange egenskaber, som både stof, antimaterie og stråling alle besidder. Skabelse af energi uafhængigt af partikler? Det er måske noget, universet selv gør, men indtil vi lærer at skabe (eller ødelægge) selve rumtiden, er vi ude af stand til at gøre det.
Send dine Ask Ethan-spørgsmål til startswithabang at gmail dot com!