Higgsin bosonitapahtuma nähtynä suuren hadronitörmäyttimen Compact Muon Solenoid -ilmaisimessa. Tämä… yksi korkeaenerginen törmäys havainnollistaa energian muuntamisen voimaa, joka on aina olemassa hiukkasina.
CERN / CMS Collaboration
Energialla on valtava merkitys paitsi teknologiarikkaassa jokapäiväisessä elämässämme myös fysiikan perusasioissa. Bensiiniin varastoitunut kemiallinen energia muuttuu liike-energiaksi, joka saa ajoneuvomme liikkeelle, kun taas sähköasemiemme sähköenergia muuttuu valoksi, lämmöksi ja muiksi energiamuodoiksi kodeissamme. Mutta tämä energia näyttää aina olevan vain yksi ominaisuus muuten itsenäisesti olemassa olevassa järjestelmässä. Pitääkö sen aina olla niin? Alex Moskovasta kirjoittaa kysymyksen itse energiasta:
”Onko puhdas energia , ehkä hyvin vähän ennen muuttumistaan hiukkaseksi tai fotoniksi? Vai onko se vain hyödyllinen matemaattinen abstraktio, vastine jota käytämme fysiikassa?”
Fundamentaalisella tasolla energia voi saada monia muotoja.
Standardimallissa tunnetut hiukkaset. Nämä ovat kaikki perustavanlaatuiset hiukkaset, jotka on… suoraan löydetty; muutamia bosoneja lukuun ottamatta kaikilla hiukkasilla on massa.
E. Siegel
Energian yksinkertaisin ja tunnetuin muoto on massa. Et yleensä ajattele Einsteinin E = mc2:n termein, mutta jokainen fyysinen objekti, joka on koskaan ollut olemassa tässä maailmankaikkeudessa, on tehty massiivisista hiukkasista, ja yksinkertaisesti sillä, että näillä hiukkasilla on massa, niillä on energiaa. Jos nämä hiukkaset liikkuvat, niillä on myös ylimääräinen energiamuoto: liike-energia eli liikkeen energia.
Elektronien siirtymiset vetyatomissa ja niistä syntyvien fotonien aallonpituudet… havainnollistavat sidosenergian vaikutusta.
Wikimedia Commonsin käyttäjät Szdori ja OrangeDog
Loppujen lopuksi nämä hiukkaset voivat liittyä toisiinsa monin eri tavoin muodostaen monimutkaisempia rakenteita, kuten ytimiä, atomeja, molekyylejä, soluja, organismeja, planeettoja ja paljon muuta. Tätä energiamuotoa kutsutaan sidosenergiaksi, ja sen vaikutus on itse asiassa negatiivinen. Se pienentää koko järjestelmän lepomassaa, minkä vuoksi tähtien ytimissä tapahtuva ydinfuusio voi tuottaa niin paljon valoa ja lämpöä: se muuttaa massan energiaksi saman E = mc2:n avulla. Auringon 4,5 miljardin vuoden historian aikana se on menettänyt suunnilleen Saturnuksen massan pelkästään vedyn fuusioituessa heliumiksi.
Kuvassa näkyvä Aurinko tuottaa energiansa fuusioimalla ydinkeskustassaan vetyä heliumiksi menettäen pieniä… määriä massaa tässä prosessissa. Elinkaarensa aikana se on menettänyt tällä prosessilla noin Saturnuksen massan.
NASA / Solar Dynamics Observatory (SDO)
Aurinko itsessään antaa toisen esimerkin energiasta: valoa ja lämpöä, joka tulee fotonien muodossa, jotka eroavat tähän asti tarkastelemistamme energiamuodoista. On olemassa myös massattomia hiukkasia – hiukkasia, joilla ei ole lepoenergiaa – ja nämä hiukkaset, kuten fotonit, gluonit ja (hypoteettisesti) gravitonit, liikkuvat kaikki valon nopeudella. Ne kuitenkin kantavat energiaa liike-energian muodossa, ja gluonien tapauksessa ne vastaavat itse sitoutumisenergiasta atomiytimien ja protonien sisällä.
Asymptoottisen vapauden teoria, joka kuvaa kvarkkivuorovaikutusten voimakkuutta sisällä…. ytimestä, oli Nobelin palkinnon arvoinen Wilczekille, Politzerille ja Grossille.
Wikimedia Commonsin käyttäjä Qashqaiilove
Tässä yhteydessä on kyse perustavanlaatuisesta kysymyksestä, voiko energia itsessään olla olemassa mistään näistä hiukkasista riippumatta. Oli kutkuttava mahdollisuus, että näin voisi olla gravitaation muodossa: olimme vuosikymmenien ajan seuranneet kaksoisten neutronitähtien kiertoratoja: kaksi romahtanutta tähtijäännöstä kiertää toisiaan. Pulsarimittausten ansiosta, joissa toinen tähdistä lähettää meille hyvin säännöllisiä pulsseja, pystyimme havaitsemaan, että nämä kiertoradat olivat hajoamassa ja kiertymässä spiraalimaisesti toisiinsa. Kun niiden sidosenergia kasvoi, niiden on säteiltävä pois jonkinlaista energiaa. Pystyimme havaitsemaan hajoamisen vaikutukset, mutta emme itse säteilevää energiaa.
Kahden neutronitähden kiertäessä toisiaan Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ennustaa kiertoradan… hajoamista ja gravitaatiosäteilyn lähettämistä.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
Ainut tapa selittää se olisi, jos olisi olemassa jonkinlaista gravitaatiosäteilyä: tarvitsisimme gravitaatioaaltoja, jotta ne olisivat todellisia. LIGO:n havaitsema ensimmäinen mustien aukkojen sulautuminen, 14. syyskuuta 2015 tapahtuneesta tapahtumasta, asettaisi tämän testiin. Tuona päivänä havaitsimme kaksi mustaa aukkoa, jotka spiraalimaisesti törmäsivät toisiinsa, ja tästä yhteenkietoutumisesta peräisin olevat suorat gravitaatioaallot. Alkuperäisten mustien aukkojen massat olivat 36 ja 29 auringon massaa; lopullinen, sulautumisen jälkeinen massa oli 62 auringon massaa.
14. syyskuuta 2015 tapahtuneen mustien aukkojen sulautumisen elintärkeät tilastot. Huomaa, kuinka kolme auringon… massaa häviää sulautumisesta, mutta energia säilyy gravitaatiosäteilyn muodossa.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Nämä puuttuvat kolme auringon massaa? Ne emittoitiin gravitaatioaaltojen muodossa, ja havaitsemiemme aaltojen suuruus oli täsmälleen sen verran kuin tarvittiin säilyttämiseen tarvittavan määrän korvaamiseksi, loppujen lopuksi. Einsteinin E = mc2 ja energian kuljettaminen osana jonkinlaista hiukkasta tai fysikaalista ilmiötä sai jälleen vahvistuksen.
Ensimmäisen koskaan suoraan havaitun mustien aukkojen parin inspiraatio ja sulautuminen.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Energiaa on monenlaisissa muodoissaan, ja jotkin noista muodoissaan ovat fundamentaalisia. Hiukkasen lepomassan energia ei muutu ajan myötä, eikä itse asiassa muutu hiukkasesta toiseen. Se on eräänlainen energia, joka on luontainen kaikelle maailmankaikkeudessa itsessään. Mutta kaikki muut olemassa olevat energiamuodot ovat suhteellisia. Jännitetyssä tilassa olevalla atomilla on enemmän energiaa kuin perustilassa olevalla atomilla, ja se johtuu sidosenergian erosta. Entä jos haluat siirtyä matalamman energian tilaan? Siihen pääsemiseksi on lähetettävä fotoni; siirtymistä ei voi tehdä säilyttämättä energiaa, ja energiaa on kuljetettava hiukkasella – jopa massattomalla hiukkasella – jotta se tapahtuisi.
Tässä kuvassa yksi fotoni (violetti) kuljettaa miljoona kertaa enemmän energiaa kuin toinen fotoni (keltainen)….. Fermi-datassa kahdesta gammasäteilypurkauksesta peräisin olevasta fotonista ei näy mitään kulkuviivettä, mikä osoittaa valon nopeuden pysyvyyden eri energiamuodoissa.
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Tässä on ehkä se outous, että fotonienergian tai minkä tahansa kineettisen energian muodon (eli liikkeen energian) arvo ei ole perustavanlaatuinen vaan pikemminkin riippuvainen havainnoitsijan liikkeestä. Jos liikut kohti fotonia, huomaat, että sen energia näyttää suuremmalta (koska sen aallonpituus on sinisiirtynyt), ja jos liikut siitä poispäin, sen energia on pienempi, ja se näkyy punasiirtyneenä. Energia on suhteellista, mutta mielenkiintoista on, että minkä tahansa tarkkailijan kannalta se säilyy aina. Olivatpa vuorovaikutukset mitä tahansa, energiaa ei koskaan havaita olevan olemassa yksinään, vaan ainoastaan osana hiukkassysteemiä, oli se sitten massiivinen tai massaton.
Energiaa voidaan muuntaa muodosta toiseen, jopa lepomassaenergiasta puhtaasti kineettiseksi….energiaa, mutta se on aina olemassa hiukkasten muodossa.
Andrew Deniszczyc, 2017
On kuitenkin yksi energiamuoto, joka ei ehkä tarvitse hiukkasta lainkaan: pimeä energia. Energian muoto, joka saa maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymään, saattaa hyvinkin olla maailmankaikkeuden rakenteelle itselleen ominaista energiaa! Tämä tulkinta pimeästä energiasta on johdonmukainen, ja se sopii täsmälleen havaintoihin kaukaisista, etääntyvistä galakseista ja kvasaareista, joita me näemme. Ainoa ongelma? Tätä energiamuotoa ei voida tietääksemme käyttää hiukkasten luomiseen tai tuhoamiseen, eikä sitä voida muuntaa muihin energiamuotoihin tai muista energiamuodoista. Se näyttää olevan oma kokonaisuutensa, joka ei ole vuorovaikutuksessa maailmankaikkeudessa esiintyvien muiden energiamuotojen kanssa.
Ilman pimeää energiaa maailmankaikkeus ei kiihtyisi. Mutta ei ole mitään keinoa päästä käsiksi tuohon energiaan… minkään muun maailmankaikkeudessa olevan hiukkasen kautta.
NASA & ESA, mahdollisista malleista laajenevasta maailmankaikkeudesta
Kokonaisvaltainen vastaus kysymykseen, onko puhdasta energiaa olemassa, on siis:
- Kaikkien kaikkien olemassa olevien hiukkasten, massiivisten ja massattomienkin, kohdalla energia on vain yksi hiukkasten ominaisuuksista eikä sitä voi olla olemassa itsenäisesti.
- Kaikissa tilanteissa, joissa energiaa näyttää häviävän systeemissä, kuten gravitaatiohajoamisen kautta, on olemassa jonkinlaista säteilyä, joka kuljettaa tuon energian pois, jolloin se säilyy.
- Ja tuo pimeä energia itsessään voi olla energian puhtain muoto, joka on olemassa hiukkasista riippumatta, mutta mitä tulee muihin vaikutuksiin kuin maailmankaikkeuden laajenemiseen, tuo energia on kaiken muun maailmankaikkeudessa olevan ulottumattomissa.
Sikäli kuin pystymme sanomaan, energia ei ole jotakin sellaista, jota voimme eristää laboratoriossa, vaan se on vain yksi monista ominaisuuksista, joita aineella, antiaineella ja säteilyllä kaikilla on. Hiukkasista riippumattoman energian luominen? Se saattaa olla jotain, mitä maailmankaikkeus itse tekee, mutta ennen kuin opimme luomaan (tai tuhoamaan) itse avaruusajan, emme kykene tekemään niin.
Lähetä Ask Ethan -kysymyksesi osoitteeseen startswithabang at gmail dot com!