Um evento boson Higgs como visto no Detector de Muões Compactos Solenóides no Grande Colisor de Hadron. Esta… uma colisão de alta energia ilustra o poder de conversão de energia, que sempre existe na forma de partículas.
Colaboração CERN / CMS
A energia desempenha um papel tremendo, não só na nossa vida diária rica em tecnologia, mas também na física fundamental. A energia química armazenada na gasolina é convertida em energia cinética que impulsiona nossos veículos, enquanto a energia elétrica de nossos planetas de energia é convertida em luz, calor e outras formas de energia em nossas casas. Mas esta energia parece existir sempre como uma mera propriedade de um sistema que de outra forma existiria de forma independente. Deve ser sempre assim? Alex de Moscovo escreve com uma pergunta sobre a própria energia:
“Será que a energia pura, talvez muito pouco antes de se transformar numa partícula ou num fotão? Ou é apenas uma abstração matemática útil, um equivalente que usamos em física?”
A um nível fundamental, a energia pode assumir muitas formas.
As partículas conhecidas no Modelo Padrão. Estas são todas as partículas fundamentais que foram… directamente descobertas; com excepção de alguns dos bósons, todas as partículas têm massa.
E. Siegel
A forma de energia mais simples e familiar de todas é em termos de massa. Normalmente não se pensa em termos de Einstein’s E = mc2, mas cada objecto físico que alguma vez existiu neste Universo é feito de partículas maciças, e simplesmente por terem massa, estas partículas têm energia. Se estas partículas estão em movimento, elas também têm uma forma adicional de energia: a energia cinética, ou a energia do movimento.
Trânsitos electrónicos no átomo de hidrogénio, juntamente com os comprimentos de onda dos fotões resultantes,… mostram o efeito da energia de ligação.
Wikimedia Commons usuários Szdori e OrangeDog
Finalmente, estas partículas podem se ligar de várias maneiras, formando estruturas mais complexas como núcleos, átomos, moléculas, células, organismos, planetas e muito mais. Esta forma de energia é conhecida como energia de ligação, e na verdade é negativa no seu efeito. Ela reduz a massa restante do sistema em geral, razão pela qual a fusão nuclear, ocorrendo nos núcleos das estrelas, pode emitir tanta luz e calor: convertendo massa em energia através desse mesmo E = mc2. Ao longo dos 4,5 bilhões de anos de história do Sol, ele perdeu aproximadamente a massa de Saturno pela simples fusão do hidrogênio em hélio.
O Sol, aqui mostrado, gera sua energia pela fusão do hidrogênio em hélio em seu núcleo, perdendo pequenas… quantidades de massa no processo. Ao longo da sua vida, perde aproximadamente a massa de Saturno por este processo.
NASA / Observatório de Dinâmica Solar (SDO)
O próprio Sol dá outro exemplo de energia: luz e calor, que vem na forma de fótons, que são diferentes das formas de energia que temos considerado até agora. Existem também partículas sem massa — partículas sem energia de repouso — e estas partículas, como fotões, gluões e (hipoteticamente) gravitões, movem-se todas à velocidade da luz. Entretanto, elas carregam energia sob a forma de energia cinética e, no caso dos gluões, são responsáveis pela energia de ligação dentro dos núcleos atômicos e dos próprios prótons.
A teoria da liberdade assimptótica, descrevendo a força das interações quark dentro de a…. núcleo, valeu um Prémio Nobel para Wilczek, Politzer e Gross.
Usuário do Wikimedia Commons Qashqaiilove
A questão fundamental aqui é se a própria energia pode existir independentemente de qualquer uma destas partículas. Havia uma possibilidade tentadora de que este pudesse ser o caso sob a forma de gravitação: durante muitas décadas, tínhamos estado a observar as órbitas de estrelas de neutrões binários: dois restos estelares colapsados orbitando um ao outro. Graças às medidas de cronometragem do pulsar, em que uma das estrelas envia pulsos muito regulares, pudemos detectar que essas órbitas estavam em decadência, e em espiral uma na outra. À medida que a sua energia de ligação aumentava, deve haver alguma forma de energia irradiada para longe. Conseguimos detectar os efeitos da decadência, mas não a energia irradiada em si.
Como duas estrelas de nêutrons orbitam uma à outra, a teoria da relatividade geral de Einstein prevê a decadência orbital… e a emissão de radiação gravitacional.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
A única maneira de explicar seria se houvesse algum tipo de radiação gravitacional: precisaríamos de ondas gravitacionais para sermos reais. A primeira fusão detectada de buracos negros da LIGO, a partir do evento de 14 de setembro de 2015, colocaria isso à prova. Nessa data, detectámos dois buracos negros em espiral, e as ondas gravíticas directas emitidas a partir dessa coalescência. Os buracos negros originais eram de 36 e 29 massas solares; a massa final, pós-fusão era de 62 massas solares.
As estatísticas vitais da fusão do buraco negro em 14 de setembro de 2015. Note como há três massas solares… que são perdidas da fusão, mas que a energia sobrevive na forma de radiação gravitacional.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration e Virgo Collaboration)
As três massas solares que faltam? Elas foram emitidas na forma de ondas gravitacionais, e a magnitude das ondas que detectamos foi exatamente a quantidade necessária para perfazer a quantidade necessária para conservá-la, afinal. O E = mc2 de Einstein, e a energia sendo transportada como parte de algum tipo de partícula ou fenômeno físico, foi confirmado novamente.
A inspiração e a fusão do primeiro par de buracos negros já observado diretamente.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration e Virgo Collaboration)
A energia vem em uma variedade de formas, e algumas dessas formas são fundamentais. A energia da massa de repouso de uma partícula não muda com o tempo, e na verdade não muda de partícula para partícula. É um tipo de energia que é inerente a tudo no próprio Universo. Mas todas as outras formas de energia que existem são relativas. Um átomo em estado excitado tem mais energia do que um átomo em estado terrestre, e isso é devido à diferença na energia de ligação. E se você quiser fazer essa transição para o estado de baixa energia? Você tem que emitir um fóton para chegar lá; você não pode fazer essa transição sem conservar energia, e essa energia precisa ser carregada por uma partícula — mesmo uma sem massa — para que isso aconteça.
Nesta ilustração, um fóton (roxo) carrega um milhão de vezes a energia de outro (amarelo)…. Os dados de Fermi em dois fótons de uma explosão de raios gama não mostram qualquer atraso de viagem, mostrando a velocidade da constância da luz através da energia.
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Talvez uma estranheza disto seja que a energia do fóton, ou qualquer forma de energia cinética (ou seja, a energia do movimento), é que o seu valor não é fundamental, mas sim dependente do movimento do observador. Se você se mover em direção a um fóton, você verá que sua energia aparece maior (pois seu comprimento de onda é azulado), e se você se afastar dele, sua energia será menor, e ele parecerá redshifted. A energia é relativa, mas o interessante é que, para qualquer observador, ela é sempre conservada. Não importa quais sejam as interacções, a energia nunca é vista a existir por si só, mas apenas como parte de um sistema de partículas, sejam elas maciças ou sem massa.
A energia pode ser convertida de uma forma para outra, mesmo de energia de massa de repouso para energia puramente cinética…. energia, mas ela existe sempre na forma de partículas.
Andrew Deniszczyc, 2017
Há uma forma de energia, no entanto, que pode não precisar de nenhuma partícula: a energia escura. A forma de energia que faz acelerar a expansão do Universo pode muito bem ser a energia inerente ao tecido do próprio Universo! Esta interpretação da energia escura é auto-consistente e corresponde às observações de galáxias e quasares distantes e recuados que vemos exactamente. O único problema? Esta forma de energia, tanto quanto podemos dizer, não pode ser usada para criar ou destruir partículas, nem pode ser inter-convertida de e para outras formas de energia. Parece ser a sua própria entidade, desconectada de interagir com as outras formas de energia presentes no Universo.
Sem energia escura, o Universo não estaria acelerando. Mas não há forma de aceder a essa energia… através de quaisquer outras partículas no Universo.
NASA & ESA, de possíveis modelos do Universo em expansão
Então a resposta completa à questão de saber se existe energia pura é:
- Para todas as partículas que existem, maciças e sem massa, a energia é apenas uma propriedade delas, e não pode existir independentemente.
- Para todas as situações em que a energia parece estar perdida num sistema, como por exemplo através da decomposição gravitacional, existe alguma forma de radiação que transporta essa energia, deixando-a conservada.
- E essa energia escura pode ser a forma mais pura de energia, existente independentemente das partículas, mas quanto a qualquer efeito que não seja a expansão do Universo, essa energia é inacessível a tudo o resto no Universo.
Tanto quanto podemos dizer, a energia não é algo que possamos isolar num laboratório, mas apenas uma das muitas propriedades que a matéria, a antimatéria e a radiação todas possuem. Criar energia independentemente das partículas? Pode ser algo que o próprio Universo faz, mas até aprendermos a criar (ou destruir) o próprio espaço-tempo, não conseguimos fazê-lo.
Envie as suas perguntas ao Ethan para começar comabang no gmail dot com!