Un evento del bosone di Higgs visto nel rilevatore Compact Muon Solenoid al Large Hadron Collider. Questa… collisione ad alta energia illustra il potere di conversione dell’energia, che esiste sempre sotto forma di particelle.
CERN / CMS Collaboration
L’energia gioca un ruolo enorme, non solo nella nostra vita quotidiana ricca di tecnologia, ma anche nella fisica fondamentale. L’energia chimica immagazzinata nella benzina viene convertita in energia cinetica che spinge i nostri veicoli, mentre l’energia elettrica dei nostri pianeti viene convertita in luce, calore e altre forme di energia nelle nostre case. Ma questa energia sembra sempre esistere solo come una proprietà di un sistema che altrimenti esiste in modo indipendente. Deve essere sempre così? Alex da Mosca scrive con una domanda sull’energia stessa:
“L’energia pura, forse poco prima di trasformarsi in una particella o in un fotone, esiste? O è solo un’utile astrazione matematica, un equivalente che usiamo in fisica?”
A livello fondamentale, l’energia può assumere molte forme.
Le particelle note nel Modello Standard. Queste sono tutte le particelle fondamentali che sono state… scoperte direttamente; con l’eccezione di alcuni bosoni, tutte le particelle hanno massa.
E. Siegel
La forma di energia più semplice e familiare di tutte è in termini di massa. Normalmente non si pensa in termini di Einstein E = mc2, ma ogni oggetto fisico che sia mai esistito in questo Universo è fatto di particelle massicce, e semplicemente avendo massa, queste particelle hanno energia. Se queste particelle sono in movimento, hanno anche un’ulteriore forma di energia: l’energia cinetica, o l’energia del movimento.
Le transizioni degli elettroni nell’atomo di idrogeno, insieme alle lunghezze d’onda dei fotoni risultanti,… mostrano l’effetto dell’energia di legame.
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Infine, queste particelle possono collegarsi in una varietà di modi, formando strutture più complesse come nuclei, atomi, molecole, cellule, organismi, pianeti e altro. Questa forma di energia è nota come energia di legame, e il suo effetto è in realtà negativo. Riduce la massa a riposo del sistema complessivo, che è il motivo per cui la fusione nucleare, che avviene nei nuclei delle stelle, può emettere così tanta luce e calore: convertendo la massa in energia attraverso quella stessa E = mc2. Nel corso dei 4,5 miliardi di anni di storia del Sole, ha perso circa la massa di Saturno dalla semplice fusione dell’idrogeno in elio.
Il Sole, mostrato qui, genera la sua energia dalla fusione dell’idrogeno in elio nel suo nucleo, perdendo piccole… quantità di massa nel processo. Nel corso della sua vita, ha perso circa la massa di Saturno con questo processo.
NASA / Solar Dynamics Observatory (SDO)
Il Sole stesso dà un altro esempio di energia: luce e calore, che arriva sotto forma di fotoni, che sono diversi dalle forme di energia che abbiamo considerato finora. Esistono anche particelle senza massa — particelle senza energia a riposo — e queste particelle, come i fotoni, i gluoni e (ipoteticamente) i gravitoni, si muovono tutte alla velocità della luce. Tuttavia, trasportano energia sotto forma di energia cinetica e, nel caso dei gluoni, sono responsabili dell’energia di legame all’interno dei nuclei atomici e degli stessi protoni.
La teoria della libertà asintotica, che descrive la forza delle interazioni dei quark all’interno di un… nucleo, valeva un premio Nobel per Wilczek, Politzer e Gross.
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La questione fondamentale in questione è se l’energia stessa può esistere indipendentemente da una qualsiasi di queste particelle. C’era un’allettante possibilità che questo potesse essere il caso sotto forma di gravitazione: per molti decenni, abbiamo osservato le orbite di stelle di neutroni binarie: due resti stellari collassati che orbitavano l’uno attorno all’altro. Grazie alle misurazioni dei tempi delle pulsar, dove una delle stelle invia impulsi molto regolari, siamo stati in grado di rilevare che queste orbite stavano decadendo e si avvolgevano a spirale l’una nell’altra. Man mano che la loro energia di legame saliva, doveva esserci una qualche forma di energia irradiata. Abbiamo potuto rilevare gli effetti del decadimento, ma non l’energia irradiata in sé.
Come due stelle di neutroni orbitano l’una intorno all’altra, la teoria della relatività generale di Einstein prevede il decadimento orbitale… e l’emissione di radiazione gravitazionale.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
L’unico modo per spiegarlo sarebbe se ci fosse qualche tipo di radiazione gravitazionale: avremmo bisogno di onde gravitazionali per essere reali. La prima fusione di buchi neri rilevata da LIGO, dall’evento del 14 settembre 2015, metterebbe questo alla prova. In quella data, abbiamo rilevato due buchi neri a spirale uno nell’altro, e le onde gravitazionali dirette emesse da quella coalescenza. I buchi neri originali erano di 36 e 29 masse solari; la massa finale, dopo la fusione, era di 62 masse solari.
Le statistiche vitali della fusione dei buchi neri il 14 settembre 2015. Notate come ci sono tre masse… solari che vengono perse dalla fusione, ma che l’energia sopravvive sotto forma di radiazione gravitazionale.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Quelle tre masse solari mancanti? Sono state emesse sotto forma di onde gravitazionali, e la grandezza delle onde che abbiamo rilevato era esattamente la quantità necessaria per compensare la quantità necessaria per conservarla, dopo tutto. La E = mc2 di Einstein, e l’energia trasportata come parte di qualche tipo di particella o fenomeno fisico, è stata confermata di nuovo.
L’inspirazione e la fusione della prima coppia di buchi neri mai osservata direttamente.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
L’energia si presenta in una varietà di forme, e alcune di queste forme sono fondamentali. L’energia della massa a riposo di una particella non cambia nel tempo, e infatti non cambia da particella a particella. È un tipo di energia che è inerente a tutto nell’Universo stesso. Ma tutte le altre forme di energia che esistono sono relative. Un atomo in stato eccitato ha più energia di un atomo in stato di terra, e questo è dovuto alla differenza di energia di legame. E se vuoi fare quella transizione allo stato di energia inferiore? Devi emettere un fotone per arrivarci; non puoi fare quella transizione senza conservare l’energia, e quell’energia deve essere trasportata da una particella – anche una senza massa – per farlo accadere.
In questa illustrazione, un fotone (viola) porta un milione di volte l’energia di un altro (giallo)…. I dati di Fermi su due fotoni di un’esplosione di raggi gamma non mostrano alcun ritardo di viaggio, mostrando la costanza della velocità della luce attraverso l’energia.
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Forse una stranezza di questo è che l’energia dei fotoni, o qualsiasi forma di energia cinetica (cioè, l’energia del movimento), è che il suo valore non è fondamentale, ma piuttosto dipende dal movimento dell’osservatore. Se ti muovi verso un fotone, scoprirai che la sua energia appare maggiore (poiché la sua lunghezza d’onda è spostata in blu), e se ti allontani da esso, la sua energia sarà minore, e apparirà spostata in rosso. L’energia è relativa, ma la cosa interessante è che per qualsiasi osservatore è sempre conservata. Indipendentemente dalle interazioni, non si vede mai l’energia esistere da sola, ma solo come parte di un sistema di particelle, sia massicce che senza massa.
L’energia può essere convertita da una forma all’altra, anche da energia di massa a riposo in pura energia cinetica… energia, ma esiste sempre sotto forma di particelle.
Andrew Deniszczyc, 2017
C’è una forma di energia, tuttavia, che potrebbe non avere affatto bisogno di una particella: l’energia oscura. La forma di energia che fa accelerare l’espansione dell’Universo potrebbe benissimo essere energia inerente al tessuto dell’Universo stesso! Questa interpretazione dell’energia oscura è auto-consistente e corrisponde alle osservazioni delle galassie lontane e in allontanamento e dei quasar che vediamo esattamente. L’unico problema? Questa forma di energia, per quanto possiamo dire, non può essere usata per creare o distruggere particelle, né può essere interconvertita da e verso altre forme di energia. Sembra essere un’entità a sé stante, scollegata dall’interazione con le altre forme di energia presenti nell’Universo.
Senza energia oscura, l’Universo non starebbe accelerando. Ma non c’è modo di accedere a quell’energia… attraverso qualsiasi altra particella nell’Universo.
NASA & ESA, di possibili modelli dell’Universo in espansione
Quindi la risposta completa alla domanda se esiste l’energia pura è:
- Per tutte le particelle che esistono, massicce e senza massa, l’energia è solo una loro proprietà e non può esistere indipendentemente.
- Per tutte le situazioni in cui l’energia sembra essere persa in un sistema, come attraverso il decadimento gravitazionale, esiste una qualche forma di radiazione che porta via quell’energia, lasciandola conservata.
- E quella stessa energia oscura può essere la forma più pura di energia, esistente indipendentemente dalle particelle, ma per quanto riguarda qualsiasi effetto diverso dall’espansione dell’Universo, quell’energia è inaccessibile a tutto il resto dell’Universo.
Per quanto possiamo dire, l’energia non è qualcosa che possiamo isolare in un laboratorio, ma solo una delle tante proprietà che materia, antimateria e radiazione possiedono tutte. Creare energia indipendente dalle particelle? Potrebbe essere qualcosa che l’Universo stesso fa, ma finché non impariamo come creare (o distruggere) lo spaziotempo stesso, ci troviamo incapaci di renderlo tale.
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