Fragen Sie Ethan: Gibt es so etwas wie reine Energie?

Energie spielt eine enorme Rolle, nicht nur in unserem technikreichen Alltag, sondern auch in der fundamentalen Physik. Die im Benzin gespeicherte chemische Energie wird in kinetische Energie umgewandelt, die unsere Fahrzeuge antreibt, während die elektrische Energie unserer Stromnetze in Licht, Wärme und andere Energieformen in unseren Häusern umgewandelt wird. Aber diese Energie scheint immer nur als eine Eigenschaft eines ansonsten unabhängig existierenden Systems zu existieren. Muss das immer so sein? Alex aus Moskau schreibt mit einer Frage zur Energie selbst:

„Gibt es reine Energie, vielleicht kurz bevor sie sich in ein Teilchen oder ein Photon verwandelt? Oder ist es nur eine nützliche mathematische Abstraktion, ein Äquivalent, das wir in der Physik verwenden?“

Auf einer fundamentalen Ebene kann Energie viele Formen annehmen.

Die einfachste und bekannteste Form von Energie ist die der Masse. Normalerweise denkt man nicht an Einsteins E = mc2, aber jedes physikalische Objekt, das jemals in diesem Universum existiert hat, besteht aus massiven Teilchen, und einfach dadurch, dass sie Masse haben, haben diese Teilchen Energie. Wenn sich diese Teilchen bewegen, haben sie eine zusätzliche Form von Energie: die kinetische Energie oder die Energie der Bewegung.

Schließlich können sich diese Teilchen auf verschiedene Weise miteinander verbinden und komplexere Strukturen wie Kerne, Atome, Moleküle, Zellen, Organismen, Planeten und mehr bilden. Diese Form der Energie wird als Bindungsenergie bezeichnet und ist in ihrer Wirkung eigentlich negativ. Sie verringert die Ruhemasse des Gesamtsystems, weshalb die Kernfusion, die in den Kernen von Sternen stattfindet, so viel Licht und Wärme abgeben kann: durch die Umwandlung von Masse in Energie über eben dieses E = mc2. In ihrer 4,5 Milliarden Jahre langen Geschichte hat die Sonne durch die einfache Fusion von Wasserstoff zu Helium etwa die Masse des Saturns verloren.

Die Sonne selbst liefert ein weiteres Beispiel für Energie: Licht und Wärme in Form von Photonen, die sich von den bisher betrachteten Energieformen unterscheiden. Es gibt auch masselose Teilchen – Teilchen ohne Ruheenergie – und diese Teilchen, wie Photonen, Gluonen und (hypothetisch) Gravitonen, bewegen sich alle mit Lichtgeschwindigkeit. Sie tragen jedoch Energie in Form von kinetischer Energie in sich und sind, im Falle der Gluonen, für die Bindungsenergie in den Atomkernen und Protonen selbst verantwortlich.

Die grundlegende Frage, um die es hier geht, ist, ob Energie selbst unabhängig von einem dieser Teilchen existieren kann. Es gab eine verlockende Möglichkeit, dass dies in Form von Gravitation der Fall sein könnte: Seit vielen Jahrzehnten beobachten wir die Bahnen von binären Neutronensternen: zwei kollabierte Sternüberreste, die sich gegenseitig umkreisen. Dank der Messungen der Pulsarzeiten, bei denen einer der Sterne in regelmäßigen Abständen Impulse in unsere Richtung sendet, konnten wir feststellen, dass diese Bahnen zerfallen und sich ineinander verschlingen. Da ihre Bindungsenergie anstieg, musste irgendeine Form von Energie abgestrahlt werden. Wir konnten die Auswirkungen des Zerfalls nachweisen, aber nicht die abgestrahlte Energie selbst.

Die einzige Möglichkeit, dies zu erklären, wäre eine Art von Gravitationsstrahlung: Wir bräuchten Gravitationswellen, um sie zu beobachten. Die erste von LIGO entdeckte Verschmelzung von Schwarzen Löchern, die am 14. September 2015 stattfand, würde dies auf die Probe stellen. An diesem Tag entdeckten wir zwei schwarze Löcher, die spiralförmig ineinander übergingen, und die direkten Gravitationswellen, die von dieser Verschmelzung ausgingen. Die ursprünglichen Schwarzen Löcher hatten eine Masse von 36 und 29 Sonnenmassen; die endgültige Masse nach der Verschmelzung betrug 62 Sonnenmassen.

Die fehlenden drei Sonnenmassen? Sie wurden in Form von Gravitationswellen emittiert, und die Größe der Wellen, die wir entdeckt haben, entsprach genau der Menge, die notwendig war, um die Menge auszugleichen, die zur Erhaltung der Masse erforderlich war. Einsteins E = mc2 und die Tatsache, dass Energie als Teil eines Teilchens oder eines physikalischen Phänomens transportiert wird, wurde erneut bestätigt.

Energie kommt in einer Vielzahl von Formen vor, und einige dieser Formen sind fundamental. Die Energie der Ruhemasse eines Teilchens ändert sich nicht im Laufe der Zeit, und zwar nicht von Teilchen zu Teilchen. Es handelt sich um eine Art von Energie, die allem im Universum selbst innewohnt. Aber alle anderen Energieformen, die es gibt, sind relativ. Ein Atom in einem angeregten Zustand hat mehr Energie als ein Atom in einem Grundzustand, und das liegt an der unterschiedlichen Bindungsenergie. Und wenn man den Übergang in den energieärmeren Zustand schaffen will? Man muss ein Photon aussenden, um dorthin zu gelangen; man kann diesen Übergang nicht schaffen, ohne Energie zu erhalten, und diese Energie muss von einem Teilchen getragen werden – selbst von einem masselosen -, um dies zu ermöglichen.

Eine Besonderheit ist vielleicht, dass die Photonenenergie oder jede Form von kinetischer Energie (d. h. Bewegungsenergie) keinen fundamentalen Wert hat, sondern vielmehr von der Bewegung des Beobachters abhängig ist. Wenn man sich auf ein Photon zubewegt, erscheint seine Energie größer (da seine Wellenlänge blauverschoben ist), und wenn man sich von ihm wegbewegt, ist seine Energie geringer, und es erscheint rotverschoben. Energie ist relativ, aber interessant ist, dass sie für jeden Beobachter immer erhalten bleibt. Unabhängig von den Wechselwirkungen existiert Energie nie allein, sondern nur als Teil eines Systems von Teilchen, ob massiv oder masselos.

Es gibt jedoch eine Form von Energie, die möglicherweise überhaupt keine Teilchen benötigt: die dunkle Energie. Die Energieform, die die Expansion des Universums beschleunigt, könnte sehr wohl Energie sein, die der Struktur des Universums selbst innewohnt! Diese Interpretation der dunklen Energie ist in sich schlüssig und passt genau zu den Beobachtungen von weit entfernten, sich entfernenden Galaxien und Quasaren, die wir sehen. Das einzige Problem? Soweit wir wissen, kann diese Energieform weder zur Erzeugung oder Zerstörung von Teilchen verwendet werden, noch kann sie in andere Energieformen umgewandelt werden. Sie scheint eine eigene Einheit zu sein, die nicht mit den anderen Energieformen im Universum interagiert.

Die vollständige Antwort auf die Frage, ob es reine Energie gibt, lautet also:

• Für alle existierenden Teilchen, ob massiv oder masselos, ist Energie nur eine Eigenschaft von ihnen und kann nicht unabhängig davon existieren.
• Für alle Situationen, in denen Energie in einem System verloren zu gehen scheint, wie z.B. durch Gravitationszerfall, gibt es irgendeine Form von Strahlung, die diese Energie abträgt, so dass sie erhalten bleibt.
• Und diese dunkle Energie selbst mag die reinste Form von Energie sein, die unabhängig von Teilchen existiert, aber was irgendeine andere Wirkung als die Ausdehnung des Universums angeht, ist diese Energie für alles andere im Universum unzugänglich.

Soweit wir wissen, ist Energie nichts, was wir in einem Labor isolieren können, sondern nur eine von vielen Eigenschaften, die Materie, Antimaterie und Strahlung alle besitzen. Energie unabhängig von Teilchen erzeugen? Das könnte etwas sein, was das Universum selbst tut, aber solange wir nicht wissen, wie wir die Raumzeit selbst erschaffen (oder zerstören) können, sind wir nicht in der Lage, dies zu tun.

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