Энергия играет важнейшую роль не только в нашей повседневной жизни, наполненной технологиями, но и в фундаментальной физике. Химическая энергия, хранящаяся в бензине, преобразуется в кинетическую энергию наших средств передвижения, а электроэнергия с электростанций преобразуется в свет, тепло и другие виды энергии в наших домах. Но эта энергия будто бы существует в виде одного свойства независимой системы. Но обязательно ли всё должно быть именно так?

Наш читатель из Москвы задаёт вопрос по поводу самой энергии:

Существует ли чистая энергия, возможно, некоторое малое время перед тем, как превратиться в частицу или фотон? Или это всего лишь удобная математическая абстракция, эквивалент, используемый нами в физике?

Появление бозона Хиггса на компактном мюонном соленоидном детекторе на Большом адронном коллайдере. Это высокоэнергетическое столкновение иллюстрирует всю мощь преобразования энергии, всегда существующей в виде частиц

На фундаментальном уровне энергия может принимать различные виды.

Известные частицы в Стандартной Модели. Это все частицы, что мы открыли напрямую; за исключением нескольких бозонов, у всех частиц есть масса.

Простейшая и самая известна форма энергии выражается через массу. Обычно мы не рассуждаем в терминах эйнштейновского E = mc², но каждый физический объект, когда-либо существовавший во Вселенной, состоит из массивных частиц, и просто потому, что у них есть масса, у этих частиц есть и энергия. Если эти частицы движутся, у них появляется дополнительная энергия – кинетическая, или энергия движения.

Электронные переходы в атоме водорода, совместно с длинами волн получающихся фотонов, иллюстрация энергии связи

Наконец, эти частицы могут связываться друг с другом различными способами, формируя более сложные структуры – ядра, атомы, молекулы, клетки, организмы, планеты и т.п. Эта разновидность энергии известна как энергия связи, и она на самом деле отрицательная. Она уменьшает массу покоя всей системы, и поэтому ядерный синтез, происходящий в ядрах звёзд, может испускать столько света и тепла: превращая массу в энергию через ту же самую формулу E = mc². За 4,5 миллиардолетнюю историю Солнца оно потеряло примерно массу Сатурна просто из-за синтеза гелия из водорода.

Солнце генерирует энергию, синтезируя гелий из водорода в ядре, теряя в процессе небольшое количество массы

Солнце представляет другой пример энергии: свет и тепло, идущие в виде фотонов, отличающихся от описанных нами форм энергий. Есть и безмассовые частицы – частицы без энергии покоя – и эти частицы, фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны, движутся со скоростью света. Однако они переносят энергию в виде кинетической энергии, и, в случае глюонов, отвечают за энергию связи внутри атомных ядер и протонов.

Теория асимптотической свободы, описывающая силу взаимодействий кварков в ядре, принесла Нобелевскую премию Гроссу, Вильчеку и Политцеру.

Фундаментальный вопрос состоит в том, может ли энергия существовать независимо от любой из этих частиц. Существовала соблазнительная возможность того, что это она существует отдельно в виде гравитации: много десятилетий мы наблюдали за орбитами двойных нейтронных звёзд – двух остатков коллапсировавших звёзд, вращавшихся друг вокруг друга. Благодаря измерениям длительности импульсов пульсаров, когда одна из звёзд отправляет регулярные сигналы в нашу сторону, мы смогли определить, что эти орбиты уменьшаются и сближаются по спирали. С возрастанием их энергии связи должно происходить излучение энергии в какой-либо форме. Мы могли засечь эффекты уменьшения, но не излучаемую энергию.

Для вращающихся друг вокруг друга нейтронных звёзд ОТО Эйнштейна предсказывает уменьшение орбит и испускание гравитационного излучения

Единственным способом объяснить это было введением некоего типа гравитационного излучения: нам нужно было, чтобы гравитационные волны существовали. Первое слияние чёрных дыр, зафиксированное детектором LIGO 14 сентября 2015 года, должно было проверить эту теорию. В тот день мы зафиксировали две чёрные дыры, по спирали сближавшиеся друг с другом, и прямые гравитационные волны, испущенные этим слиянием. Изначальные чёрные дыры обладали массами в 36 и 29 солнечных; итоговая дыра после слияния имела массу в 62 солнечных.

Важнейшие параметры слияния чёрных дыр 14 сентября 2015 года. Обратите внимание, что во время слияния были потеряны три солнечных массы – но эта энергия живёт в виде гравитационного излучения

Пропавшие три солнечных массы были излучены в виде гравитационных волн, и сила уловленных нами волн точно совпадала с расчётной, необходимой для сохранения энергии. Эйнштейновское E = mc² и перенос энергии в виде частиц или физических явлений снова были подтверждены.

Спиральное сближение и слияние первой пары чёрных дыр из всех, наблюдаемых напрямую

Энергия принимает различные формы, и некоторые из них фундаментальны. Масса покоя частицы со временем не меняется, как не меняется она от частицы к частице. Энергия этого типа присуща всему во Вселенной. Все остальные существующие формы энергии связаны с ней. Атом в возбуждённом состоянии несёт больше энергии, чем атом в основном состоянии – из-за разницы в энергии связи. Если вы хотите перейти на более низкое состояние энергии, вам нужно испустить фотон; нельзя сделать этот переход, не сохраняя энергию, и эту энергию должна унести частица – пусть и безмассовая.

На этом изображении один фотон (фиолетовый) переносит в миллион раз больше энергии, чем другой (жёлтый). Данные обсерватории Ферми по двум фотонам из вспышки гамма-лучей не показывают какой-либо задержки во времени путешествия, что означает, что скорость света не зависит от энергии

Странный факт состоит в том, что энергия фотона, или любая кинетическая форма энергии (энергия движения) не фундаментальна, а зависит от движения наблюдателя. Если вы движетесь навстречу фотону, его энергия для вас будет казаться больше (длина волны сдвигается в синюю часть спектра), а если вы двигаетесь от него, его энергия будет меньше, и он будет казаться сдвинутым в красную часть спектра. Энергия относительна, но для любого наблюдателя она сохраняется. Вне зависимости от взаимодействий энергия никогда не существует сама по себе, а только лишь как часть системы частиц, массивных или нет.

Энергия может менять формы, даже превращаться из энергии массы в чисто кинетическую, но всегда существует в виде частиц

Есть один вид энергии, которая, вероятно, может обойтись без частиц: тёмная энергия. Та форма энергии, что заставляет Вселенную расширяться с ускорением, может оказаться энергией, присущей самой ткани Вселенной! Такая интерпретация тёмной энергии внутренне непротиворечива и совпадает с наблюдениями за удалёнными и удаляющимися от нас галактиками и квазарами. Единственная проблема – эту форму энергии нельзя использовать для создания или уничтожения частиц, и конвертировать между другими формами энергии. Она кажется сущностью в себе, не связанной взаимодействиями с другими формами энергии, существующими во Вселенной.

Без тёмной энергии Вселенная бы не ускорялась. Но до этой энергии через другие частицы Вселенной добраться никак нельзя.

Так что полностью ответ на вопрос о существовании чистой энергии будет таким:

• Для всех существующих частиц, массивных и нет, энергия – одно из их свойств, и не может существовать отдельно.
• Для всех ситуаций, в которых кажется, что энергия теряется в системе, допустим, при гравитационном угасании, существует какая-либо форма излучения, уносящая эту энергию, сохраняя её.
• Тёмная энергия может оказаться чистейшей формой энергии, существующей вне зависимости от частиц, но, за исключением расширения Вселенной, эта энергия недоступна ни для чего другого во Вселенной.

Насколько нам известно, энергия – это не то, что можно изолировать в лаборатории, но одно из множества свойств, которыми обладают материя, антиматерия и излучение. Создание независимой от частиц энергии? Возможно, Вселенная этим и занимается, но пока мы не научимся создавать или уничтожать пространство-время, у нас такие действия не выходят.

Автор: Итан Сигель
 – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].*