Zapytaj Ethana: Czy istnieje coś takiego jak czysta energia?

Energia odgrywa ogromną rolę, nie tylko w naszym bogatym w technologie życiu codziennym, ale także w fizyce fundamentalnej. Energia chemiczna zgromadzona w benzynie jest przekształcana w energię kinetyczną, która napędza nasze pojazdy, podczas gdy energia elektryczna z naszych elektrowni jest przekształcana w światło, ciepło i inne formy energii w naszych domach. Ale ta energia zawsze wydaje się istnieć tylko jako jedna z właściwości innego, niezależnie istniejącego systemu. Czy tak musi być zawsze? Alex z Moskwy pisze z pytaniem o energię samą w sobie:

„Czy czysta energia , być może bardzo krótko przed przekształceniem się w cząstkę lub foton? Czy też jest to tylko użyteczna abstrakcja matematyczna, odpowiednik, którego używamy w fizyce?”

Na poziomie fundamentalnym energia może przybierać wiele form.

Najprostszą i najbardziej znaną formą energii jest masa. Zwykle nie myślisz w kategoriach Einsteinowskiego E = mc2, ale każdy obiekt fizyczny, który kiedykolwiek istniał w tym Wszechświecie jest wykonany z masywnych cząstek, a po prostu przez posiadanie masy, te cząstki mają energię. Jeśli te cząstki są w ruchu, mają również dodatkową formę energii: energię kinetyczną, lub energię ruchu.

Wreszcie, cząstki te mogą łączyć się ze sobą na różne sposoby, tworząc bardziej złożone struktury, takie jak jądra, atomy, cząsteczki, komórki, organizmy, planety i inne. Ta forma energii znana jest jako energia wiązania i w rzeczywistości jest negatywna w swoim działaniu. Zmniejsza masę spoczynkową całego układu, dlatego też fuzja jądrowa, zachodząca w jądrach gwiazd, może emitować tak wiele światła i ciepła: poprzez zamianę masy w energię za pomocą tego samego E = mc2. W ciągu 4,5 miliarda lat istnienia Słońca, straciło ono mniej więcej tyle masy co Saturn, po prostu przez syntezę wodoru w hel.

Słońce samo w sobie daje inny przykład energii: światło i ciepło, które pochodzi w postaci fotonów, które różnią się od form energii, które rozważaliśmy do tej pory. Istnieją również cząstki bezmasowe – cząstki nie posiadające energii spoczynkowej – i te cząstki, jak fotony, gluony i (hipotetycznie) grawitony, poruszają się z prędkością światła. Niosą one jednak energię w postaci energii kinetycznej, a w przypadku gluonów są odpowiedzialne za energię wiązania wewnątrz jąder atomowych i samych protonów.

Podstawowym pytaniem jest, czy energia jako taka może istnieć niezależnie od którejkolwiek z tych cząstek. Przez wiele dziesięcioleci obserwowaliśmy orbity podwójnych gwiazd neutronowych: dwóch rozpadających się pozostałości po gwiazdach krążących wokół siebie. Dzięki pomiarom czasu pulsarów, gdzie jedna z gwiazd wysyła bardzo regularne impulsy w naszą stronę, byliśmy w stanie wykryć, że orbity te rozpadają się i wpadają jedna w drugą. Ponieważ ich energia wiązania wzrastała, musiała zostać wypromieniowana jakaś forma energii. Mogliśmy wykryć efekty rozpadu, ale nie samą wypromieniowaną energię.

Jedynym sposobem na wyjaśnienie tego byłoby istnienie jakiegoś rodzaju promieniowania grawitacyjnego: potrzebowalibyśmy fal grawitacyjnych, aby były prawdziwe. Pierwsza wykryta fuzja czarnych dziur z LIGO, z wydarzenia 14 września 2015 roku, wystawiłaby to na próbę. W tym dniu wykryliśmy dwie czarne dziury wpadające spiralnie jedna w drugą oraz bezpośrednie fale grawitacyjne emitowane z tej koalescencji. Oryginalne czarne dziury miały 36 i 29 mas Słońca; ostateczna masa po połączeniu wyniosła 62 masy Słońca.

Te brakujące trzy masy słoneczne? Zostały wyemitowane w postaci fal grawitacyjnych, a wielkość wykrytych przez nas fal była dokładnie taka, jaka jest potrzebna, aby uzupełnić ilość potrzebną do jej zachowania, mimo wszystko. Einsteinowskie E = mc2, i energia przenoszona jako część jakiegoś typu cząstki lub zjawiska fizycznego, została ponownie potwierdzona.

Energia występuje w różnych formach, a niektóre z tych form są fundamentalne. Energia masy spoczynkowej cząstki nie zmienia się w czasie, i w rzeczywistości nie zmienia się z cząstki na cząstkę. Jest to rodzaj energii, która jest nieodłącznym elementem wszystkiego we Wszechświecie. Ale wszystkie inne formy energii, które istnieją, są względne. Atom w stanie wzbudzonym ma więcej energii niż atom w stanie podstawowym, a to z powodu różnicy w energii wiązania. A jeśli chcesz przejść do stanu o niższej energii? Musisz wyemitować foton, aby się tam dostać; nie możesz dokonać tego przejścia bez zachowania energii, a ta energia musi być przeniesiona przez cząstkę – nawet bezmasową – aby do tego doszło.

Może dziwność tego jest to, że energia fotonu, lub jakakolwiek forma energii kinetycznej (tj. energii ruchu), jest to, że jego wartość nie jest fundamentalna, ale raczej zależy od ruchu obserwatora. Jeśli przesuwasz się w kierunku fotonu, zauważysz, że jego energia wydaje się większa (ponieważ długość fali jest przesunięta w lewo), a jeśli oddalasz się od niego, jego energia będzie mniejsza, a on sam wyda się przesunięty w tył. Energia jest względna, ale co ciekawe, dla każdego obserwatora jest ona zawsze zachowana. Bez względu na to, jakie są oddziaływania, energia nigdy nie jest postrzegana jako istniejąca samodzielnie, ale tylko jako część systemu cząstek, masywnych lub bezmasowych.

Jest jednak jedna forma energii, która może w ogóle nie potrzebować cząstki: ciemna energia. Forma energii, która powoduje przyspieszenie ekspansji Wszechświata, może bardzo dobrze być energią nieodłącznie związaną z samą tkanką Wszechświata! Taka interpretacja ciemnej energii jest spójna i pasuje do obserwacji odległych, oddalających się galaktyk i kwazarów, które dokładnie widzimy. Jedyny problem? Ta forma energii, tak dalece jak możemy to stwierdzić, nie może być użyta do tworzenia lub niszczenia cząstek, ani też nie może być przekształcana w inne formy energii. Wydaje się być swoim własnym bytem, odłączonym od interakcji z innymi formami energii obecnymi we Wszechświecie.

Więc pełna odpowiedź na pytanie, czy czysta energia istnieje, brzmi:

• Dla wszystkich cząstek, które istnieją, masywnych i bezmasowych, energia jest tylko jedną z ich własności i nie może istnieć niezależnie.
• Dla wszystkich sytuacji, w których energia wydaje się być tracona w systemie, np. przez rozpad grawitacyjny, istnieje jakaś forma promieniowania odprowadzająca tę energię, pozostawiając ją zachowaną.
• I ta ciemna energia sama w sobie może być najczystszą formą energii, istniejącą niezależnie od cząstek, ale jeśli chodzi o jakikolwiek efekt inny niż ekspansja Wszechświata, ta energia jest niedostępna dla wszystkiego innego we Wszechświecie.

O ile możemy powiedzieć, energia nie jest czymś, co możemy wyizolować w laboratorium, ale tylko jedną z wielu właściwości, które posiadają materia, antymateria i promieniowanie. Tworzenie energii niezależnej od cząstek? Może to być coś, co robi sam Wszechświat, ale dopóki nie dowiemy się, jak stworzyć (lub zniszczyć) samą czasoprzestrzeń, nie będziemy w stanie tego zrobić.

Wyślij swoje pytania do Ethana na adres startswithabang at gmail dot com!