En Higgsbosonhändelse som ses i Compact Muon Solenoid-detektorn vid Large Hadron Collider. Denna… en högenergikollision illustrerar kraften i energiomvandling, som alltid finns i form av partiklar.
CERN / CMS Collaboration
Energi spelar en enorm roll, inte bara i vår teknikrika vardag, utan även inom den grundläggande fysiken. Den kemiska energi som lagras i bensin omvandlas till rörelseenergi som driver våra fordon, medan den elektriska energin från våra kraftverk omvandlas till ljus, värme och andra former av energi i våra hem. Men denna energi tycks alltid existera som endast en egenskap hos ett i övrigt självständigt existerande system. Måste det alltid vara så? Alex från Moskva skriver in med en fråga om själva energin:
”Finns ren energi , kanske mycket kort innan den förvandlas till en partikel eller en foton? Eller är det bara en användbar matematisk abstraktion, en motsvarighet som vi använder inom fysiken?”
På en grundläggande nivå kan energi anta många former.
De kända partiklarna i standardmodellen. Detta är alla de grundläggande partiklar som har… direkt upptäckts; med undantag för några av bosonerna har alla partiklar massa.
E. Siegel
Den enklaste och mest välkända formen av energi av alla är i form av massa. Man tänker normalt inte i termer av Einsteins E = mc2, men varje fysiskt objekt som någonsin existerat i detta universum består av massiva partiklar, och bara genom att ha massa har dessa partiklar energi. Om dessa partiklar är i rörelse har de också ytterligare en form av energi: kinetisk energi, eller rörelseenergi.
Elektronövergångar i väteatomen, tillsammans med våglängderna hos de resulterande fotonerna,… visar effekten av bindningsenergi.
Wikimedia Commons-användare Szdori och OrangeDog
För det sista kan dessa partiklar kopplas samman på en mängd olika sätt och bilda mer komplexa strukturer som atomkärnor, atomer, molekyler, celler, organismer, planeter med mera. Denna form av energi är känd som bindningsenergi och är faktiskt negativ i sin effekt. Det är därför som kärnfusion, som äger rum i stjärnors kärnor, kan avge så mycket ljus och värme: genom att omvandla massa till energi via samma E = mc2. Under solens 4,5 miljarder år långa historia har den förlorat ungefär samma massa som Saturnus genom att helt enkelt smälta väte till helium.
Solen, som visas här, genererar sin energi genom att smälta väte till helium i sin kärna, och förlorar små … mängder massa i processen. Under sin livstid har den förlorat ungefär samma massa som Saturnus genom denna process.
NASA / Solar Dynamics Observatory (SDO)
Solen själv ger ett annat exempel på energi: ljus och värme, som kommer i form av fotoner, som skiljer sig från de former av energi som vi hittills har betraktat. Det finns också masslösa partiklar – partiklar utan viloenergi – och dessa partiklar, som fotoner, gluoner och (hypotetiskt) gravitoner, rör sig alla med ljusets hastighet. De bär dock med sig energi i form av kinetisk energi, och när det gäller gluoner står de för bindningsenergin inuti atomkärnor och själva protonerna.
Teorin om asymptotisk frihet, som beskriver styrkan i kvarkinteraktionerna inuti en…. kärna, var värd ett Nobelpris för Wilczek, Politzer och Gross.
Wikimedia Commons-användare Qashqaiilove
Den grundläggande frågan här är om själva energin kan existera oberoende av någon av dessa partiklar. Det fanns en lockande möjlighet att detta skulle kunna vara fallet i form av gravitation: under många decennier hade vi observerat banorna för binära neutronstjärnor: två kollapsade stjärnrester som kretsar kring varandra. Tack vare mätningar av pulsartid, där en av stjärnorna skickar mycket regelbundna pulser åt vårt håll, kunde vi upptäcka att dessa omloppsbanor höll på att sönderfalla, och att de snurrade in i varandra i en spiral. När deras bindningsenergi ökade måste det finnas någon form av energi som strålades bort. Vi kunde upptäcka effekterna av sönderfallet, men inte själva den utstrålade energin.
När två neutronstjärnor kretsar kring varandra förutsäger Einsteins allmänna relativitetsteori att banorna… sönderfaller och att gravitationsstrålning avges.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
Det enda sättet att förklara det skulle vara om det fanns någon typ av gravitationsstrålning: vi skulle behöva gravitationsvågor för att de ska vara verkliga. Den första upptäckta sammanslagningen av svarta hål från LIGO, från händelsen den 14 september 2015, skulle sätta detta på prov. Det datumet upptäckte vi två svarta hål som spiralade in i varandra, och de direkta gravitationsvågorna som sändes ut från denna sammansmältning. De ursprungliga svarta hålen var 36 och 29 solmassor; den slutliga massan efter sammanslagningen var 62 solmassor.
Den vitala statistiken för sammanslagningen av svarta hål den 14 september 2015. Notera att det är tre solmassor som försvinner från sammanslagningen, men att energin överlever i form av gravitationsstrålning.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Dessa tre solmassor som saknas? De sändes ut i form av gravitationsvågor, och storleken på de vågor vi upptäckte var trots allt exakt den mängd som behövdes för att kompensera den mängd som behövdes för att bevara den. Einsteins E = mc2, och att energi transporteras som en del av någon typ av partikel eller fysiskt fenomen, bekräftades återigen.
Inspirationen och sammansmältningen av det första paret svarta hål som någonsin har observerats direkt.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Energier finns i en mängd olika former, och vissa av dessa former är grundläggande. En partikels vilomassa energi förändras inte över tiden, och förändras faktiskt inte från partikel till partikel. Det är en typ av energi som är inneboende i allting i själva universum. Men alla andra former av energi som finns är relativa. En atom i ett exciterat tillstånd har mer energi än en atom i ett grundtillstånd, och det beror på skillnaden i bindningsenergi. Och om du vill göra denna övergång till ett tillstånd med lägre energi? Du måste sända ut en foton för att komma dit; du kan inte göra den övergången utan att bevara energi, och den energin måste bäras av en partikel – även en masslös sådan – för att det ska kunna ske.
I den här illustrationen bär en foton (lila) på en miljon gånger mer energi än en annan (gul)….. Fermi-data om två fotoner från en gammastrålningsutbrott visar inte på någon resefördröjning, vilket visar att ljusets hastighet är konstant över energin.
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Kanske är det märkligt att fotonenergin, eller någon form av rörelseenergi (dvs. rörelseenergin), är att dess värde inte är fundamentalt, utan snarare är beroende av observatörens rörelse. Om du rör dig mot en foton kommer du att märka att dess energi framstår som större (eftersom dess våglängd är blåförskjuten), och om du rör dig bort från den kommer dess energi att vara mindre, och den kommer att framstå som rödförskjuten. Energi är relativ, men det intressanta är att den alltid bevaras för alla observatörer. Oavsett hur växelverkan ser ut ses energi aldrig existera på egen hand, utan endast som en del av ett system av partiklar, oavsett om de är massiva eller masslösa.
Energi kan omvandlas från en form till en annan, till och med från vilomassaenergi till rent kinetisk…. energi, men den existerar alltid i form av partiklar.
Andrew Deniszczyc, 2017
Det finns dock en form av energi som kanske inte alls behöver en partikel: mörk energi. Den form av energi som får universums expansion att accelerera kan mycket väl vara energi som är inneboende i själva universums struktur! Denna tolkning av den mörka energin är självkonsistent och stämmer exakt överens med de observationer av avlägsna, bortflyttade galaxer och kvasarer som vi ser. Det enda problemet? Denna form av energi kan, såvitt vi vet, varken användas för att skapa eller förstöra partiklar eller för att interkonvertera den till och från andra former av energi. Den verkar vara en egen enhet, som är bortkopplad från att interagera med de andra former av energi som finns i universum.
Och utan mörk energi skulle universum inte accelerera. Men det finns inget sätt att komma åt den energin… via andra partiklar i universum.
NASA & ESA, av möjliga modeller av det expanderande universum
Så det fullständiga svaret på frågan om huruvida ren energi existerar är:
- För alla de partiklar som existerar, massiva och masselösa, är energi bara en egenskap hos dem och kan inte existera oberoende av varandra.
- För alla situationer där energi tycks gå förlorad i ett system, t.ex. genom gravitationellt sönderfall, finns det någon form av strålning som för bort energin och lämnar den bevarad.
- Och den mörka energin i sig kan vara den renaste formen av energi, som existerar oberoende av partiklar, men när det gäller någon annan effekt än universums expansion är den energin otillgänglig för allt annat i universum.
Såvitt vi kan se är energi inte något som vi kan isolera i ett laboratorium, utan bara en av många egenskaper som materia, antimateria och strålning alla besitter. Skapa energi oberoende av partiklar? Det kan vara något som universum självt gör, men tills vi lär oss att skapa (eller förstöra) själva rymdtiden kan vi inte göra det.
Skicka in dina Ask Ethan frågor till startswithabang at gmail dot com!