Die Vorverstärker der National Ignition Facility sind der erste Schritt zur Erhöhung der Energie von Laserstrahlen auf ihrem Weg zur Zielkammer. NIF hat kürzlich einen Schuss von 500 Terawatt erzielt - 1000-mal mehr Leistung, als die USA zu jedem Zeitpunkt verbrauchen. Trotz unserer Anwendungen und Anwendungen für Energie bleibt es notorisch schwierig zu definieren. (DAMIEN JEMISON / LLNL)

Fragen Sie Ethan: Was ist Energie?

Wir sprechen darüber, streiten darüber und führen sogar Kriege dafür. Wir wissen es, wenn wir es sehen. Aber was ist eigentlich Energie?

Wenn es darum geht, ein Mensch auf dem Planeten Erde zu sein, beeinflusst Energie praktisch jeden Aspekt unseres Lebens. Der Energiegehalt eines Raumes bestimmt seine Temperatur; Die Fähigkeit, es gezielt einzusetzen, ist die Art und Weise, wie wir uns selbst transportieren. wir nutzen es, um unser Essen zu kochen; Die Energie, die wir in unserem Körper verbrennen, ist notwendig, um uns am Leben zu erhalten. Von der Energie der Bewegung über gespeicherte Energie bis hin zur Verteilung oder Erhaltung dieser Energie beeinflusst Energie alle Aspekte unseres Lebens. Aber selbst zu definieren, was Energie ist, kann eine schrecklich große Herausforderung sein. Deshalb hat Raza Usman für diese Ausgabe unserer Ask Ethan-Kolumne gefragt:

Wir sprechen über Energie und wir wissen, dass es verschiedene Energieformen gibt (PE, KE…), und Sie können damit arbeiten, und es muss erhalten bleiben, und Energie und Materie sind austauschbar usw. Aber was ist Energie?

Die Physik kann viel über Energie sagen, aber selbst die besten theoretischen Physiker haben Probleme, eine Definition zu finden, mit der jeder zufrieden sein kann.

Während einer Inspiration und Verschmelzung von zwei Neutronensternen sollte eine enorme Menge an Energie freigesetzt werden, zusammen mit schweren Elementen, Gravitationswellen und einem elektromagnetischen Signal, wie hier dargestellt. Es gibt eine Vielzahl von Energiearten, die bei einem solchen Ereignis ins Spiel kommen, und dennoch fehlt uns eine eindeutige, universell anwendbare Definition der Energie selbst. (NASA / JPL)

Die erste Definition von Energie, aus der die physikalische Definition aufgebaut ist, war folgende: Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten. Aber Arbeit in der Physik ist nicht willkürlich definiert, wie es im umgangssprachlichen Sinne ist. Stattdessen bedeutet Arbeit etwas sehr Spezifisches: eine Kraft, die auf ein Objekt ausgeübt wird, das sich um eine bestimmte Strecke in dieselbe Richtung bewegt, in die sich das Objekt bewegt.

Wenn Sie eine Box mit einer Kraft von 10 N in die gleiche Richtung drücken, in die sich die Box um eine Strecke von 1 Meter bewegt, erledigen Sie 10 J Arbeit.

Wenn Sie eine Box mit einer Kraft von 10 N in die entgegengesetzte Richtung drücken, in der sich die Box um eine Strecke von 1 Meter bewegt, erledigen Sie -10 J Arbeit.

Und wenn Sie mit einer Kraft von 10 N senkrecht zu der Richtung, in der sie sich 1 Meter bewegt, auf eine Box drücken, erledigen Sie überhaupt keine Arbeit.

Das DEEP-Lasersegelkonzept basiert auf einem großen Laserarray, das ein relativ großflächiges Raumschiff mit geringer Masse trifft und beschleunigt. Dies hat das Potenzial, nicht lebende Objekte auf Geschwindigkeiten zu beschleunigen, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, und eine interstellare Reise innerhalb eines einzigen menschlichen Lebens zu ermöglichen. Die Arbeit des Lasers, eine Kraft aufzubringen, wenn sich ein Objekt um eine bestimmte Strecke bewegt, ist ein Beispiel für die Energieübertragung von einer Form in eine andere. (© 2016 UCSB EXPERIMENTAL COSMOLOGY GROUP)

Traditionell beruhen alle anderen Definitionen von Energie auf der Fähigkeit, sich in diese zu verwandeln: der Fähigkeit, Arbeit zu leisten. Energie wird durch Ihre Fähigkeit zur Arbeit definiert, aber Arbeit wird (zirkulär) als die Übertragung von Energie von einer Quelle zur anderen definiert. Trotz unserer Unwissenheit gibt es jedoch viele Dinge, die wir zuversichtlich über Energie sagen können, die nicht umstritten sind, darunter:

  • alle Masse und Materie enthält es,
  • es kann quantifiziert werden,
  • wir können es elektrisch, chemisch, thermisch, akustisch usw. speichern.
  • wir können es von einer Form in eine andere konvertieren,
  • wir können es verwenden, um Dinge zu erreichen (dh um Arbeit zu erledigen),
  • wir erschaffen oder zerstören es nicht,
  • und wir können seine verschiedenen Formen erzeugen, berechnen und messen.
Indem Sie Elektronen in einen angeregten Zustand

Was die verschiedenen Energieformen angeht, gibt es wirklich keine Grenzen. Wenn Sie eine Konfiguration haben, aus der Energie extrahiert, übertragen oder aus der gearbeitet werden kann, haben Sie eine neue Energieform. Dies kann mechanisch, elektrisch oder chemisch sein; es kann in einer kinetischen (sich bewegenden) oder potentiellen (unveröffentlichten) Form vorliegen; es kann in Form von Wärme oder Licht sein; es kann partikelbasiert oder wellenbasiert sein; es kann klassischer oder quantenhafter Natur sein.

Aber Energie kann nicht immer gewonnen werden. Neben all diesen verschiedenen Formen gibt Ihnen die Physik auch die Vorstellung eines Grundzustands oder eines Zustands mit der niedrigsten Energie, den jedes Quantensystem erreichen kann. Diese Nullpunktsenergie entspricht nicht unbedingt dem klassischen Wert eines Nullenergiezustands, kann jedoch häufig ein endlicher Wert ungleich Null sein. Zum Beispiel ist die Energie eines Wasserstoffatoms im niedrigsten (Grund-) Zustand nicht Null, sondern ein größerer Wert.

Die 21-Zentimeter-Wasserstofflinie entsteht, wenn ein Wasserstoffatom, das eine Protonen / Elektronen-Kombination mit ausgerichteten Spins (oben) enthält, zu anti-ausgerichteten Spins (unten) wechselt und ein bestimmtes Photon mit einer sehr charakteristischen Wellenlänge emittiert. Die Konfiguration mit entgegengesetztem Spin im Energieniveau n = 1 repräsentiert den Grundzustand von Wasserstoff, aber seine Nullpunktsenergie ist ein endlicher Wert ungleich Null. (TILTEC VON WIKIMEDIA GEMEINSAM)

Dieser Unterschied zwischen dem Grundzustand und dem klassischen Wert von Null definiert das, was wir als Nullpunktsenergie kennen. In der vielleicht erstaunlichsten Entdeckung in der Geschichte der Physik haben Studien des expandierenden Universums in den letzten 20 Jahren Wissenschaftler zu dem Schluss geführt, dass die Nullpunktsenergie des Raums selbst nicht Null ist, sondern ein größerer, endlicher Wert.

Denken Sie an die ursprüngliche Definition von Energie: dass es die Fähigkeit ist, Arbeit zu leisten (eine Kraft entlang der Bewegungsrichtung auszuüben). Wenn der Raum selbst mit einer Art Energie gefüllt ist, die heute als dunkle Energie bekannt ist, übt er einen Unterdruck aus, der eine Kraft über einen Bereich ist. Und wenn sich das Universum ausdehnt, bedeutet dies, dass sich die Oberfläche der Grenze des beobachtbaren Universums um eine bestimmte Entfernung ändert. Daher wirkt dunkle Energie auf das expandierende Universum selbst.

Die Auswirkungen der Erhöhung der Temperatur eines Gases in einem Behälter. Der Druck nach außen kann zu einer Volumenvergrößerung führen, bei der die inneren Moleküle an den Behälterwänden arbeiten. (BEN BORLAND'S (BENNY B'S) WISSENSCHAFTSBLOG)

Aber wie ist das in Ordnung? Es scheint, als würde ein mit dunkler Energie gefülltes Universum keine Energie sparen. Wenn die Energiedichte - Energie pro Volumeneinheit - konstant bleibt, aber das Volumen des Universums zunimmt, bedeutet das nicht, dass die Gesamtenergiemenge im Universum zunimmt? Und verstößt das nicht gegen die Energieeinsparung?

Hier stoßen wir auf Probleme. Du siehst, ich habe dich ein wenig angelogen, als ich über dunkle Energie sprach, die eine Kraft ausübt, die gegen das Universum wirkt, wenn es sich ausdehnt. Die Wahrheit ist komplexer und nicht intuitiv, läuft aber darauf hinaus: In einem expandierenden Universum wird Energie nicht konserviert. Tatsächlich ist in einer wachsenden Raumzeit nach den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie Energie auf globaler Ebene überhaupt nicht definiert.

Wenn Sie eine statische Raumzeit hätten, die sich nicht ändert, wäre Energieeinsparung garantiert. Wenn sich jedoch die Struktur des Raums ändert, während sich die Objekte, an denen Sie interessiert sind, durch sie bewegen, gibt es nach den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie kein Energieeinsparungsgesetz mehr. (DAVID CHAMPION, MAX PLANCK INSTITUT FÜR RADIOASTRONOMIE)

Die beiden wichtigsten Imbissbuden sind wie folgt:

  1. Wenn Teilchen in einer unveränderlichen Raumzeit interagieren, muss Energie erhalten bleiben. Wenn sich die Raumzeit ändert, gilt dieses Erhaltungsgesetz nicht mehr.
  2. Wenn Sie Energie neu definieren, um die sowohl positive als auch negative geleistete Arbeit durch ein Stück Raum in der Umgebung einzubeziehen, können Sie die Energieeinsparung in einem expandierenden Universum sparen. Dies gilt sowohl für Überdruckgrößen (wie Photonen) als auch für Unterdruckgrößen (wie Dunkle Energie).

Diese Neudefinition ist jedoch nicht robust; Es ist einfach eine mathematische Neudefinition, mit der wir die Energieeinsparung erzwingen können. Die Wahrheit ist, dass Energie in einem expandierenden Universum nicht erhalten bleibt.

Herkömmlicherweise sind wir es gewohnt, Dinge zu erweitern, weil ein positiver (äußerer) Druck von innen kommt. Das Gegenteil von Dunkler Energie ist, dass sie einen Druck mit dem entgegengesetzten Vorzeichen hat, aber dennoch dazu führt, dass sich das Raumgefüge ausdehnt. ('SPASS MIT ASTRONOMIE' VON MAE UND IRA FREEMAN)

Damit schließt sich der Kreis zur ursprünglichen Frage. Was ist Energie? Soweit wir wissen, kann Energie nicht unabhängig von Partikeln oder Partikelsystemen existieren. (Sogar Gravitationswellen bestehen aus theoretischen Teilchen, die als Gravitonen bekannt sind, ebenso wie elektromagnetische Wellen aus Photonen.) Energie gibt es in verschiedenen Formen: einige fundamentale und einige abgeleitete.

Der künstlerische Eindruck der drei LISA-Raumschiffe zeigt, dass die Wellen im Weltraum, die durch Gravitationswellenquellen mit längerer Periode erzeugt werden, ein interessantes neues Fenster zum Universum bieten sollten. Diese Wellen können als Wellen im Gewebe der Raumzeit selbst angesehen werden, aber sie sind immer noch energietragende Einheiten, die theoretisch aus Partikeln bestehen. (EADS ASTRIUM)

Die Ruhemassenenergie eines Teilchens ist beispielsweise jedem Teilchen im Universum selbst eigen. Aber alle anderen existierenden Energieformen sind relativ. Kinetische Energie ist relativ; elektrische Energie wird relativ zu anderen Ladungen gespeichert; Chemische Energie beruht auf dem Brechen und Bilden von Bindungen. Ein Atom in einem angeregten Zustand hat mehr Energie als ein Atom in einem Grundzustand, aber diese Energie kann nur durch die Emission eines Photons freigesetzt werden.

Sie können diesen Übergang von einem Energiezustand in einen anderen nicht durchführen, ohne Energie zu sparen, und diese Energie muss von einem Teilchen getragen werden.

In Abwesenheit eines Magnetfelds sind die Energieniveaus verschiedener Zustände innerhalb eines Atomorbitals identisch (L). Wenn jedoch ein Magnetfeld angelegt wird (R), teilen sich die Zustände gemäß dem Zeeman-Effekt. Hier sehen wir die Zeeman-Aufteilung eines PS-Dublettübergangs. In allen Fällen kann Energie nur durch die Emission eines Partikels freigesetzt werden, beispielsweise durch einen hier dargestellten Übergang. (EVGENY BEI ENGLISH WIKIPEDIA)

Soweit wir das beurteilen können, können wir Energie nicht in einem Labor isolieren, sondern nur eine von vielen Eigenschaften, die Materie, Antimaterie und Strahlung besitzen. Energie kann nur relativ zu einem anderen, etwas willkürlichen Zustand definiert werden. und ist völlig abhängig von der gesamten Reihe von Partikeln, aus denen Ihr System besteht. Es ist über 300 Jahre her, seit die Physik die arbeitsbezogene Definition von Energie eingeführt hat, und obwohl wir sie immer noch für alles verwenden, was übergeht, gilt sie nicht universell.

Vor etwas mehr als einem Jahrhundert bemerkte der angesehene Physiker Henri Poincaré Folgendes: „Wissenschaft besteht aus Fakten, wie ein Haus aus Steinen; Aber eine Ansammlung von Fakten ist nicht mehr eine Wissenschaft als ein Steinhaufen ein Haus. “ Wir sprechen die ganze Zeit darüber, was Energie leisten kann, wie sie verwendet wird, wo sie erscheint und in welcher Menge und wie sie damit eine Vielzahl von Aufgaben erledigen kann. Aber eine grundlegende, universelle Definition? Das ist eine Leistung, die wir immer noch nicht erreichen können.

Senden Sie Ihre Ask Ethan-Vorschläge an startwithabang bei gmail dot com!

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.