Egy Higgs-bozon esemény a Nagy Hadronütköztető Compact Muon Solenoid detektorában. Ez… egy nagyenergiájú ütközés szemlélteti az energiaátalakítás erejét, amely mindig részecskék formájában létezik.
CERN / CMS Collaboration
Az energia óriási szerepet játszik, nemcsak a technológiában gazdag mindennapi életünkben, hanem az alapvető fizikában is. A benzinben tárolt kémiai energia mozgási energiává alakul át, amely járműveinket hajtja, míg a villanybolygók elektromos energiája otthonunkban fénnyé, hővé és más energiaformákká alakul át. De úgy tűnik, hogy ez az energia mindig csak egy egyébként függetlenül létező rendszer egyik tulajdonságaként létezik. Vajon mindig így kell lennie? Alex Moszkvából ír egy kérdéssel magáról az energiáról:
“A tiszta energia , talán nagyon röviddel azelőtt, hogy részecskévé vagy fotonná alakulna? Vagy ez csak egy hasznos matematikai absztrakció, egy megfelelő, amit a fizikában használunk?”
Egy alapvető szinten az energia sokféle formát ölthet.
A Standard Modellben ismert részecskék. Ezek mindazok az alapvető részecskék, amelyeket… közvetlenül felfedeztek; néhány bozon kivételével minden részecske tömeggel rendelkezik.
E. Siegel
Az energia legegyszerűbb, legismertebb formája a tömeg. Általában nem Einstein E = mc2-jének fogalmaiban gondolkodunk, de minden fizikai tárgy, ami valaha is létezett ebben az Univerzumban, tömeges részecskékből áll, és egyszerűen azáltal, hogy ezeknek a részecskéknek van tömegük, energiájuk is van. Ha ezek a részecskék mozognak, akkor az energiának van egy további formája is: a mozgási energia, vagyis a mozgás energiája.
A hidrogénatomban az elektronátmenetek, valamint a keletkező fotonok hullámhossza… a kötési energia hatását mutatják.
Wikimedia Commons felhasználók Szdori és OrangeDog
Végezetül, ezek a részecskék sokféleképpen kapcsolódhatnak egymáshoz, összetettebb struktúrákat alkotva, mint például atommagok, atomok, molekulák, sejtek, organizmusok, bolygók és így tovább. Az energiának ezt a formáját kötési energiának nevezik, és valójában negatív hatású. Csökkenti a teljes rendszer nyugalmi tömegét, ezért képes a csillagok magjában zajló magfúzió annyi fényt és hőt kibocsátani: azáltal, hogy a tömeget energiává alakítja át ugyanezen E = mc2 segítségével. A Nap 4,5 milliárd éves története során körülbelül a Szaturnusz tömegét veszítette el pusztán a hidrogén héliummá fúziójából.
A képen látható Nap úgy termeli az energiát, hogy a magjában hidrogént héliummá fuzionál, és közben kis… tömegeket veszít. Élete során körülbelül a Szaturnusz tömegét veszítette el ezzel a folyamattal.
NASA / Solar Dynamics Observatory (SDO)
A Nap maga is ad egy másik példát az energiára: fény és hő, amely fotonok formájában érkezik, ami különbözik az eddig vizsgált energiaformáktól. Léteznek tömeg nélküli részecskék is — nyugalmi energiával nem rendelkező részecskék — és ezek a részecskék, mint a fotonok, gluonok és (feltételezhetően) gravitonok, mind fénysebességgel mozognak. Azonban mozgási energia formájában energiát hordoznak, és a gluonok esetében maguk az atommagok és a protonok belsejében lévő kötési energiáért felelősek.
Az aszimptotikus szabadság elmélete, amely leírja a kvarkok kölcsönhatásainak erősségét egy…. atommagot, Nobel-díjat ért Wilczek, Politzer és Gross számára.
Wikimedia Commons felhasználó Qashqaiilove
Az alapvető kérdés itt az, hogy maga az energia létezhet-e bármelyik részecskétől függetlenül. Volt egy kínzó lehetőség, hogy ez a gravitáció formájában lehetséges: sok évtizeden át figyeltük a kettős neutroncsillagok pályáját: két összeomlott csillagmaradvány kering egymás körül. A pulzárok időzítésének méréseinek köszönhetően, amikor az egyik csillag nagyon rendszeres impulzusokat küld felénk, sikerült kimutatnunk, hogy ezek a pályák bomlanak, és spirálisan egymásba fordulnak. Ahogy a kötési energiájuk növekedett, valamilyen formában energiát kellett kisugározniuk. A bomlás hatásait tudtuk kimutatni, de magát a kisugárzott energiát nem.
Amint két neutroncsillag egymás körül kering, Einstein általános relativitáselmélete megjósolja a keringési… bomlást és a gravitációs sugárzás kibocsátását.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
Az egyetlen magyarázat az lenne, ha valamilyen gravitációs sugárzás létezne: gravitációs hullámokra lenne szükségünk, hogy valósak legyenek. A LIGO által észlelt első fekete lyukak összeolvadása, a 2015. szeptember 14-i eseményből, ezt tenné próbára. Ezen a napon észleltünk két, egymásba spirálozó fekete lyukat, és az ebből az összeolvadásból származó közvetlen gravitációs hullámokat. Az eredeti fekete lyukak 36 és 29 naptömegűek voltak; a végső, összeolvadás utáni tömegük 62 naptömegű volt.
A 2015. szeptember 14-i fekete lyukak összeolvadásának életstatisztikái. Figyeljük meg, hogy három nap… tömeg veszett el az egyesülésből, de ez az energia gravitációs sugárzás formájában megmaradt.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Ez a hiányzó három naptömeg? Ezeket gravitációs hullámok formájában bocsátották ki, és az általunk észlelt hullámok nagysága pontosan akkora volt, mint amennyi a megőrzéshez szükséges mennyiség pótlásához szükséges, végül is. Einstein E = mc2-je, és az energia valamilyen részecske vagy fizikai jelenség részeként való hordozása ismét megerősítést nyert.
A valaha közvetlenül megfigyelt első fekete lyukpár inspirációja és egyesülése.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Az energia sokféle formában létezik, és ezek közül néhány alapvető. Egy részecske nyugalmi tömegének energiája nem változik az idő múlásával, és valójában nem változik részecskéről részecskére. Ez az energia egy olyan fajtája, amely magában az Univerzumban mindenben benne rejlik. De az összes többi létező energiaforma relatív. Egy gerjesztett állapotban lévő atomnak több energiája van, mint egy alapállapotban lévő atomnak, és ez a kötési energia különbségének köszönhető. És ha át akarsz menni az alacsonyabb energiájú állapotba? Ahhoz egy fotont kell kibocsátanod; ezt az átmenetet nem tudod megtenni energia megőrzése nélkül, és ezt az energiát egy – akár tömeg nélküli – részecskének kell hordoznia ahhoz, hogy ez megtörténjen.
Az ábrán az egyik foton (lila) milliószor nagyobb energiát hordoz, mint egy másik (sárga)….. A Fermi adatai egy gammakitörésből származó két fotonról nem mutatnak semmilyen utazási késleltetést, ami a fénysebesség energiafüggetlen állandóságát mutatja.
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Ez talán egy furcsaság, hogy a foton energiája, vagy a mozgási energia (azaz a mozgás energiája) bármely formája, hogy értéke nem alapvető, hanem a megfigyelő mozgásától függ. Ha egy foton felé mozogsz, akkor az energiája nagyobbnak tűnik (mivel a hullámhossza kékes eltolódású), ha pedig távolodsz tőle, akkor az energiája kisebb lesz, és vöröseltolódásúnak tűnik. Az energia relatív, de ami érdekes, hogy bármely megfigyelő számára mindig megmarad. Bármilyen kölcsönhatásról legyen is szó, az energia soha nem látszik önmagában, hanem csak egy részecskékből álló rendszer részeként, akár tömeges, akár tömeg nélküli.
Az energia átalakítható egyik formából a másikba, akár nyugalmi tömegű energiából tisztán kinetikusba…. energia, de mindig részecskék formájában létezik.
Andrew Deniszczyc, 2017
Az energiának azonban van egy olyan formája, amelynek talán egyáltalán nincs szüksége részecskére: a sötét energia. Az energia azon formája, amely az Univerzum tágulásának felgyorsulását okozza, nagyon is lehet, hogy magának az Univerzumnak az anyagában rejlő energia! A sötét energiának ez az értelmezése önmagával összhangban van, és pontosan illeszkedik a távoli, távolodó galaxisok és kvazárok általunk látott megfigyeléseihez. Az egyetlen probléma? Ez az energiaforma, amennyire meg tudjuk állapítani, nem használható részecskék létrehozására vagy megsemmisítésére, és nem alakítható át más energiaformákba és más energiaformákból. Úgy tűnik, hogy ez egy önálló entitás, amely nincs kapcsolatban az Univerzumban jelen lévő más energiaformákkal való kölcsönhatással.
Sötét energia nélkül az Univerzum nem gyorsulna. De nincs mód arra, hogy hozzáférjünk ehhez az energiához… az Univerzumban lévő más részecskéken keresztül.
NASA & ESA, a táguló Univerzum lehetséges modelljeiről
A teljes válasz tehát arra a kérdésre, hogy létezik-e tiszta energia:
- A létező összes részecske – tömeges és tömeg nélküli – esetében az energia csak egy tulajdonságuk, és önállóan nem létezhet.
- Minden olyan helyzetre, amikor az energia látszólag elvész egy rendszerben, például gravitációs bomlással, létezik valamilyen sugárzás, amely elviszi ezt az energiát, így az megmarad.
- És lehet, hogy maga a sötét energia az energia legtisztább formája, amely részecskéktől függetlenül létezik, de ami az Univerzum tágulásán kívül bármilyen más hatásra vonatkozik, ez az energia elérhetetlen minden más számára az Univerzumban.
Mennyire tudjuk, az energia nem olyasmi, amit laboratóriumban el tudunk különíteni, hanem csak egy a sok tulajdonság közül, amellyel az anyag, az antianyag és a sugárzás egyaránt rendelkezik. Részecskéktől független energia létrehozása? Lehet, hogy ezt maga az Univerzum teszi, de amíg nem tanuljuk meg, hogyan hozzuk létre (vagy semmisítsük meg) magát a téridőt, addig képtelenek vagyunk rá.
Küldje el Ask Ethan kérdéseit a startswithabang at gmail dot com címre!