Млечный Путь № 2 2020 - Павел Амнуєль

- это можно определить количественно,

- мы можем хранить это электрически, химически, термически и т. д.,

- мы можем преобразовать это из одной формы в другую,

- мы можем использовать это, чтобы выполнить нечто (то есть сделать работу),

- мы не создаем и не разрушаем это,

- и мы можем генерировать, рассчитывать и измерять различные формы этого.

"Перекачивая" электроны в возбужденное состояние и стимулируя их фотоном желаемой длины волны, вы можете вызвать испускание другого фотона с точно такой же энергией и длиной волны. Обратите внимание: излучение плюс вырабатываемое тепло равны введенной энергии: она сохраняется.

Что касается различных форм энергии, то здесь нет предела. Если у вас есть какая-либо конфигурация, из которой можно извлекать, передавать или выполнять работу, вы получаете новую форму энергии. Это может быть энергия механическая, электрическая или химическая; это может быть в кинетической (движущейся) или потенциальной (неподвижной) форме; оно может быть в форме тепла или света; это может быть на основе частиц или на основе волн; это может быть классическим или квантовым по своей природе.

Но энергию не всегда можно извлечь. Наряду со всеми этими различными формами, физика также дает вам представление об основном состоянии или состоянии с самой низкой энергией, которого может достичь любая квантовая система. Эта энергия нулевой точки не обязательно равна классическому значению состояния с нулевой энергией, но часто может обладать конечным ненулевым значением. Например, энергия атома водорода в низшем (основном) состоянии - не ноль, а большая величина.

21-сантиметровая водородная линия возникает, когда атом водорода, содержащий комбинацию протон/электрон с одинаково направленными спинами (вверху), переворачивается, чтобы получились противоположно направленные спины (внизу), испуская один фотон с характерной длиной волны. Конфигурация противоположного спина на энергетическом уровне n = 1 представляет основное состояние водорода, но его энергия нулевой точки является конечным ненулевым значением.

Эта разница между основным состоянием и классическим значением нуля определяет то, что мы знаем как энергию нулевой точки. Возможно, самое поразительное открытие в истории физики: исследования расширяющейся Вселенной за последние 20 лет привели ученых к выводу, что энергия нулевой точки самого пространства является не нулевой, а некоторой большей конечной величиной.

Запомните первоначальное определение энергии: это способность выполнять работу (прикладывать силу вдоль направления движения). Если само пространство заполнено некой энергией, известной сегодня как темная энергия, то она оказывает отрицательное давление, которое является силой, действующей на определенную площадь. И если Вселенная расширяется, это означает, что площадь поверхности границы наблюдаемой Вселенной изменяется на определенном расстоянии. Следовательно, темная энергия работает на расширение Вселенной.

Эффект повышения температуры газа внутри контейнера. Внешнее давление может привести к увеличению объема, при котором внутренние молекулы действительно работают на стенках контейнера.

Однако кажется, что Вселенная, наполненная темной энергией, не сохраняет энергию. Если плотность энергии - энергия на единицу объема - остается постоянной, но объем Вселенной увеличивается, не означает ли это, что общее количество энергии во Вселенной увеличивается? И разве это не нарушает закон сохранения энергии?

Здесь мы начинаем сталкиваться с проблемами. Правда более сложна и нелогична, но сводится к следующему: в расширяющейся Вселенной энергия не сохраняется. На самом деле, в расширяющемся пространстве-времени по законам общей теории относительности энергия даже на глобальном уровне не определяется вообще.

Если бы у вас было статическое пространство-время, которое не менялось, энергосбережение было бы гарантировано. Но если структура пространства меняется по мере того, как объекты, которые вас интересуют, перемещаются, закон сохранения энергии в общей теории относительности

больше не существует.

Два основных вывода:

1. Когда частицы взаимодействуют в неизменном пространстве-времени, энергия должна быть сохранена. Когда пространство-время меняется, закон сохранения больше не действует.

2. Если вы переопределите энергию, чтобы включить проделанную работу, как положительную, так и отрицательную, в пространство вокруг нее, вы можете сохранить энергию в расширяющейся Вселенной. Это верно как для величин с положительным давлением (например, фотонов), так и величин с отрицательным давлением (например, темной энергии).

Но это переопределение не является надежным; это просто математическое переопределение, которое мы можем использовать для сохранения энергии. Дело в том, что энергия в расширяющейся Вселенной не сохраняется.

Традиционно, мы привыкли к тому, что предметы расширяются, потому что внутри них существует положительное (внешнее) давление. Противоречивая вещь о темной энергии состоит в том, что она имеет давление противоположного знака, но все еще заставляет ткань пространства расширяться.

Итак, это возвращает нас по полному кругу к первоначальному вопросу. Что такое энергия? Насколько нам известно, энергия не может существовать независимо от частиц или систем частиц. (Даже гравитационные волны состоят из гипотетических частиц, известных как гравитоны, так же, как электромагнитные волны состоят из фотонов.) Энергия может быть разных форм: некоторые фундаментальны, а некоторые производные.

Например, энергия покоя частицы присуща каждой частице самой Вселенной. Но все другие формы энергии, которые существуют, являются относительными. Кинетическая энергия относительна; электрическая энергия накапливается относительно других зарядов; Химическая энергия зависит от разрыва и формирования связей. Атом в возбужденном состоянии имеет больше энергии, чем атом в основном состоянии, но эта энергия может быть высвобождена только через излучение фотона.

Вы не можете осуществить этот переход из одного энергетического состояния в другое без сохранения энергии, и эта энергия должна переноситься частицей.

Насколько мы можем судить, энергия - это не то, что мы можем выделить в лаборатории, а только одно из многих свойств, которыми обладают вещество, антивещество и излучение. Энергия может быть определена только относительно другого, несколько произвольного состояния, и полностью зависит от полного набора частиц, составляющих вашу систему. Прошло более 300 лет с тех пор, как физика ввела определение энергии, связанное с работой, и, хотя мы все еще используем ее для всего, что происходит, оно не применяется повсеместно.

Чуть более века назад уважаемый физик Анри Пуанкаре отметил следующее: "наука строится из фактов, как дом построен из камней; но накопление фактов - не более наука, чем куча камней - дом". Мы все время говорим о том, что может сделать энергия, как она используется, где она появляется и в каких количествах, и как решить с ее помощью множество задач. Но где фундаментальное, универсальное определение? Это достижение, которое все еще за пределами нашей досягаемости.

***

https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=4Rg2GELb7MI&feature=emb_logo

Робот, "пожирающий" металлическую поверхность.

Аккумуляторные батареи служат человечеству достаточно хорошо уже на протяжении нескольких десятилетий. Однако размеры современных электронных устройств уменьшаются с каждым годом, и в этих устройствах уже не остается места для