Een Higgs boson-gebeurtenis zoals te zien in de Compact Muon Solenoid detector bij de Large Hadron Collider. Deze… één hoogenergetische botsing illustreert de kracht van energie-omzetting, die altijd bestaat in de vorm van deeltjes.
CERN / CMS Collaboration
Energie speelt een enorme rol, niet alleen in ons technologierijke dagelijks leven, maar ook in de fundamentele natuurkunde. De chemische energie die is opgeslagen in benzine wordt omgezet in kinetische energie die onze voertuigen aandrijft, terwijl de elektrische energie van onze elektriciteitscentrales wordt omgezet in licht, warmte en andere vormen van energie in onze huizen. Maar deze energie lijkt altijd te bestaan als slechts één eigenschap van een voor het overige onafhankelijk bestaand systeem. Moet dat altijd zo zijn? Alex uit Moskou schrijft met een vraag over energie zelf:
“Bestaat zuivere energie, misschien heel kort voordat zij in een deeltje of een foton verandert? Of is het slechts een nuttige wiskundige abstractie, een equivalent dat we in de natuurkunde gebruiken?”
Op fundamenteel niveau kan energie vele vormen aannemen.
De bekende deeltjes in het Standaard Model. Dit zijn alle fundamentele deeltjes die… direct zijn ontdekt; met uitzondering van een paar bosonen, hebben alle deeltjes massa.
E. Siegel
De eenvoudigste, meest bekende vorm van energie van allemaal is in termen van massa. Normaal gesproken denk je niet in termen van Einsteins E = mc2, maar elk fysisch object dat ooit in dit heelal heeft bestaan is gemaakt van massieve deeltjes, en doordat ze massa hebben, hebben deze deeltjes energie. Als deze deeltjes bewegen, hebben ze ook een extra vorm van energie: kinetische energie, of de energie van beweging.
Elektronovergangen in het waterstofatoom, samen met de golflengtes van de resulterende fotonen,… laten het effect van bindingsenergie zien.
Wikimedia Commons gebruikers Szdori en OrangeDog
Ten slotte kunnen deze deeltjes zich op verschillende manieren aan elkaar koppelen en zo complexere structuren vormen, zoals kernen, atomen, moleculen, cellen, organismen, planeten en meer. Deze vorm van energie staat bekend als bindingsenergie, en is eigenlijk negatief in zijn effect. Het vermindert de rustmassa van het totale systeem, en dat is de reden waarom kernfusie, die plaatsvindt in de kernen van sterren, zoveel licht en warmte kan uitstralen: door massa om te zetten in energie via diezelfde E = mc2. In de 4,5 miljard jaar dat de zon bestaat, heeft ze ongeveer de massa van Saturnus verloren door waterstof in helium te smelten.
De zon, hier afgebeeld, wekt haar energie op door waterstof in helium te laten smelten in haar kern, en verliest daarbij kleine… hoeveelheden massa. Tijdens haar levensduur heeft zij door dit proces ongeveer de massa van Saturnus verloren.
NASA / Solar Dynamics Observatory (SDO)
De Zon zelf geeft een ander voorbeeld van energie: licht en warmte, die komt in de vorm van fotonen, die anders zijn dan de vormen van energie die we tot nu toe hebben beschouwd. Er bestaan ook massaloze deeltjes – deeltjes zonder restenergie – en deze deeltjes, zoals fotonen, gluonen en (hypothetisch) gravitonen, bewegen allemaal met de snelheid van het licht. Zij dragen echter wel energie in de vorm van kinetische energie, en in het geval van gluonen zijn zij verantwoordelijk voor de bindingsenergie binnen atoomkernen en protonen zelf.
De theorie van asymptotische vrijheid, die de sterkte beschrijft van de quark interacties binnen een….kern, was een Nobelprijs waard voor Wilczek, Politzer en Gross.
Wikimedia Commons gebruiker Qashqaiilove
De fundamentele vraag die hier aan de orde is, is of energie zelf onafhankelijk van een van deze deeltjes kan bestaan. Er was een verleidelijke mogelijkheid dat dit het geval zou kunnen zijn in de vorm van gravitatie: vele decennia lang hadden we de banen van binaire neutronensterren in de gaten gehouden: twee ineengestorte stellaire overblijfselen die om elkaar heen draaiden. Dankzij metingen van pulsar-timing, waarbij een van de sterren zeer regelmatige pulsen onze kant op stuurt, konden we waarnemen dat deze banen in verval raakten en in een spiraal in elkaar overgingen. Als hun bindingsenergie toeneemt, moet er een vorm van energie worden uitgestraald. We konden de effecten van het verval waarnemen, maar niet de uitgestraalde energie zelf.
Als twee neutronensterren in een baan om elkaar draaien, voorspelt Einsteins algemene relativiteitstheorie baan… verval, en de emissie van gravitatiestraling.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
De enige manier om het te verklaren zou zijn als er een soort gravitatiestraling zou zijn: we zouden gravitatiegolven nodig hebben om echt te zijn. De eerste gedetecteerde fusie van zwarte gaten van LIGO, van de gebeurtenis op 14 september 2015, zou dit op de proef stellen. Op die datum detecteerden we twee zwarte gaten die in elkaar spiraliseerden, en de directe zwaartekrachtsgolven die door die samensmelting werden uitgezonden. De oorspronkelijke zwarte gaten hadden een massa van 36 en 29 zonsmassa’s; de uiteindelijke massa na de samensmelting was 62 zonsmassa’s.
De vitale statistieken van de zwarte gatenfusie op 14 september 2015. Merk op hoe er drie zonnemassa’s… verloren gaan bij de fusie, maar die energie overleeft in de vorm van gravitatiestraling.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Die ontbrekende drie zonnemassa’s? Ze werden uitgezonden in de vorm van zwaartekrachtgolven, en de grootte van de golven die we ontdekten was precies de hoeveelheid die nodig was om het te behouden, tenslotte. Einstein’s E = mc2, en energie die als deel van een of ander deeltje of natuurkundig verschijnsel wordt gedragen, werd opnieuw bevestigd.
De inspiral en fusie van het eerste paar zwarte gaten dat ooit rechtstreeks is waargenomen.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Energie komt in verschillende vormen voor, en sommige van die vormen zijn fundamenteel. De energie van de rustmassa van een deeltje verandert niet in de loop van de tijd, en verandert in feite niet van deeltje tot deeltje. Het is een soort energie die inherent is aan alles in het heelal zelf. Maar alle andere vormen van energie die er zijn, zijn relatief. Een atoom in een aangeslagen toestand heeft meer energie dan een atoom in een grondtoestand, en dat komt door het verschil in bindingsenergie. En als je de overgang wilt maken naar de lagere energietoestand? Dan moet je een foton uitzenden om daar te komen; je kunt die overgang niet maken zonder energie te sparen, en die energie moet worden gedragen door een deeltje – zelfs een massaloos deeltje – om dat te laten gebeuren.
In deze illustratie draagt het ene foton (paars) een miljoen keer de energie van een ander (geel)…. Fermi-gegevens over twee fotonen van een gammastraaluitbarsting vertonen geen reisvertraging, waaruit blijkt dat de snelheid van het licht constant is over de energie heen.
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Misschien is het vreemd dat fotonenergie, of elke vorm van kinetische energie (d.w.z. de energie van beweging), dat de waarde ervan niet fundamenteel is, maar eerder afhankelijk van de beweging van de waarnemer. Als je naar een foton toe beweegt, zal je zien dat zijn energie groter lijkt (omdat zijn golflengte blauwverschoven is), en als je je er van weg beweegt, zal zijn energie minder zijn en zal hij roodverschoven lijken. Energie is relatief, maar wat interessant is, is dat voor elke waarnemer, het altijd behouden blijft. Wat de interacties ook zijn, energie bestaat nooit op zichzelf, maar alleen als deel van een systeem van deeltjes, massief of massaloos.
Energie kan worden omgezet van de ene vorm in de andere, zelfs van rustmassa-energie in zuiver kinetische…. energie, maar het bestaat altijd in de vorm van deeltjes.
Andrew Deniszczyc, 2017
Er is echter één vorm van energie, die misschien helemaal geen deeltje nodig heeft: donkere energie. De vorm van energie die ervoor zorgt dat de uitdijing van het heelal versnelt, zou heel goed energie kunnen zijn die inherent is aan het weefsel van het heelal zelf! Deze interpretatie van donkere energie is zelfconsistent en komt precies overeen met de waarnemingen van verre, zich terugtrekkende sterrenstelsels en quasars die wij zien. Het enige probleem? Deze vorm van energie kan, voor zover wij weten, niet worden gebruikt om deeltjes te maken of te vernietigen, en kan ook niet worden omgezet van en naar andere vormen van energie. Het lijkt een eigen entiteit te zijn, losgekoppeld van interactie met de andere vormen van energie die in het heelal aanwezig zijn.
Zonder donkere energie zou het heelal niet versnellen. Maar er is geen manier om toegang te krijgen tot die energie… via andere deeltjes in het heelal.
NASA & ESA, van mogelijke modellen van het uitdijende heelal
Dus het volledige antwoord op de vraag of pure energie bestaat is:
- Voor alle deeltjes die bestaan, massief en massaloos, is energie slechts één eigenschap van hen, en kan niet onafhankelijk bestaan.
- Voor alle situaties waarin energie in een systeem verloren lijkt te gaan, zoals door gravitationeel verval, bestaat er een of andere vorm van straling die deze energie afvoert, waardoor zij behouden blijft.
- En die donkere energie zelf mag dan wel de zuiverste vorm van energie zijn, die onafhankelijk van deeltjes bestaat, maar voor zover het gaat om enig ander effect dan de uitdijing van het heelal, is die energie ontoegankelijk voor al het andere in het heelal.
Voor zover we kunnen nagaan, is energie niet iets wat we in een laboratorium kunnen isoleren, maar slechts een van de vele eigenschappen die materie, antimaterie en straling allemaal bezitten. Het creëren van energie onafhankelijk van deeltjes? Dat zou iets kunnen zijn wat het heelal zelf doet, maar zolang we niet weten hoe we ruimtetijd zelf kunnen scheppen (of vernietigen), zijn we niet in staat om dat te doen.
Stuur je Ask Ethan vragen naar startswithabang at gmail dot com!