ظهور بوزونات هيجز على كاشف الملف اللولبي الميون المضغوط في مصادم هادرون الكبير. يوضح هذا التصادم عالي الطاقة الطاقة الكاملة لتحويل الطاقة الموجودة دائمًا في شكل جسيمات.تلعب الطاقة دورًا حاسمًا ليس فقط في حياتنا اليومية ، المليئة بالتكنولوجيا ، ولكن أيضًا في الفيزياء الأساسية. يتم تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في البنزين إلى الطاقة الحركية لمركباتنا ، ويتم تحويل الكهرباء من محطات الطاقة إلى ضوء وحرارة وأشكال أخرى من الطاقة في منازلنا. ولكن يبدو أن هذه الطاقة موجودة في شكل خاصية واحدة لنظام مستقل. ولكن هل يجب أن يكون كل شيء على هذا النحو؟ يسأل قارئنا من موسكو سؤالًا عن الطاقة نفسها:
هل هناك طاقة نقية ، ربما قبل وقت قصير من التحول إلى جسيم أو فوتون؟ أم أنها مجرد تجريد رياضي ملائم ، وهو المكافئ الذي نستخدمه في الفيزياء؟
على المستوى الأساسي ، يمكن أن تتخذ الطاقة العديد من الأشكال.
الجسيمات المعروفة في النموذج القياسي. هذه كلها جسيمات اكتشفناها مباشرة. باستثناء بعض البوزونات ، فإن جميع الجسيمات لها كتلة.يتم التعبير عن أبسط وأشهر أشكال الطاقة من خلال الكتلة. عادة لا نجادل من حيث Einstein's E = mc
2 ، لكن كل جسم مادي موجود في الكون يتكون من جزيئات ضخمة ، وببساطة لأنه يحتوي على كتلة ، فإن هذه الجسيمات لديها طاقة. إذا تحركت هذه الجسيمات ، فلديها طاقة إضافية - حركية أو طاقة حركة.
التحولات الإلكترونية في ذرة الهيدروجين ، مع الأطوال الموجية للفوتونات الناتجة ، توضيح لطاقة الربطأخيرًا ، يمكن أن ترتبط هذه الجسيمات ببعضها البعض بطرق مختلفة ، لتشكيل هياكل أكثر تعقيدًا - النوى والذرات والجزيئات والخلايا والكائنات الحية والكواكب ، إلخ. يُعرف هذا النوع من الطاقة باسم طاقة الربط ، وهي في الواقع سلبية. إنها تقلل من الكتلة المتبقية للنظام بأكمله ، وبالتالي فإن الاندماج النووي الذي يحدث في نوى النجوم يمكن أن يصدر الكثير من الضوء والحرارة: تحويل الكتلة إلى طاقة من خلال نفس الصيغة E = mc
2 . على مدى 4.5 مليار سنة من تاريخ الشمس ، فقد حول كتلة زحل ببساطة بسبب تخليق الهليوم من الهيدروجين.
تولد الشمس الطاقة عن طريق توليف الهليوم من الهيدروجين في القلب ، وفقدان كمية صغيرة من الكتلة في العملية.تقدم الشمس مثالًا آخر على الطاقة: الضوء والحرارة القادمة على شكل فوتونات تختلف عن أشكال الطاقة التي وصفناها. هناك أيضًا جسيمات عديمة الكتلة - جزيئات بدون طاقة راحة - وهذه الجسيمات والفوتونات والغلوونات والجاذبية الافتراضية تتحرك بسرعة الضوء. ومع ذلك ، فإنهم ينقلون الطاقة في شكل طاقة حركية ، وفي حالة الجلوونات ، يكونون مسؤولين عن طاقة الربط داخل النوى الذرية والبروتونات.
جلبت نظرية الحرية المقاربة ، التي تصف قوة تفاعلات الكواركات في النواة ، جائزة نوبل إلى جروس وويلتشيك وبوليتزر.السؤال الأساسي هو ما إذا كانت الطاقة يمكن أن توجد بشكل مستقل عن أي من هذه الجسيمات. كانت هناك إمكانية مغرية لوجودها بشكل منفصل في شكل جاذبية: لعقود عديدة كنا نراقب مدارات النجوم النيوترونية الثنائية - بقايا من النجوم المنهارة تدور حول بعضها البعض. بفضل قياسات مدة النبض النابض ، عندما يرسل أحد النجوم إشارات منتظمة في اتجاهنا ، تمكنا من تحديد أن هذه المدارات تقل وتلتقي في شكل حلزوني. مع زيادة الطاقة الملزمة ، يجب أن ينبعث شكل من أشكال الطاقة. يمكننا اكتشاف آثار الاختزال ، ولكن ليس الطاقة المشعة.
بالنسبة للنجوم النيوترونية التي تدور حول بعضها البعض ، تتنبأ النسبية العامة لأينشتاين بانخفاض في المدارات وانبعاث إشعاع الجاذبيةالطريقة الوحيدة لتفسير ذلك كانت بإدخال نوع من إشعاع الجاذبية: نحن بحاجة إلى موجات جاذبية لتوجد. أول اندماج ثقب أسود سجله كاشف ليجو في 14 سبتمبر 2015 ، كان من المفترض أن يختبر هذه النظرية. في ذلك اليوم ، سجلنا اثنين من الثقوب السوداء المتصاعدة معًا ، وموجات الجاذبية المباشرة المنبعثة من هذا الاندماج. كان للثقوب السوداء الأصلية كتل من 36 و 29 شمسية. كانت الفتحة النهائية بعد الاندماج 62 كتلة شمسية.
أهم المعايير لدمج الثقوب السوداء 14 سبتمبر 2015. لاحظ أنه خلال عملية الاندماج ، فقدت ثلاث كتل شمسية - لكن هذه الطاقة تعيش في شكل إشعاع جاذبيةانبعثت الكتل الشمسية الثلاثة المفقودة في شكل موجات جاذبية ، وتزامنت قوة الأمواج التي التقطناها تمامًا مع الكتلة المحسوبة اللازمة للحفاظ على الطاقة. تم تأكيد Einstein's E = mc
2 ونقل الطاقة في شكل جزيئات أو ظواهر فيزيائية مرة أخرى.
النهج اللولبي واندماج الزوج الأول من الثقوب السوداء من جميع لوحظ مباشرةتأخذ الطاقة أشكالًا مختلفة ، وبعضها أساسي. لا تتغير الكتلة المتبقية من الجسيم مع مرور الوقت ، تمامًا كما لا تتغير من جسيم إلى جسيم. هذا النوع من الطاقة متأصل في كل شيء في الكون. وترتبط بها جميع أشكال الطاقة الموجودة الأخرى. ذرة في حالة مثارة تحمل طاقة أكثر من ذرة في الحالة الأرضية - بسبب الاختلاف في طاقة الربط. إذا كنت تريد أن تذهب إلى حالة طاقة أقل ، فأنت بحاجة إلى انبعاث فوتون. من المستحيل إجراء هذا الانتقال دون الحفاظ على الطاقة ، ويجب أن يتم نقل هذه الطاقة بواسطة جسيم - حتى لو كانت بلا كتلة.
في هذه الصورة ، يحمل فوتون واحد (أرجواني) طاقة أكبر بمليون مرة من آخر (أصفر). لا تظهر بيانات مرصد فيرمي لاثنين من الفوتونات من انفجار أشعة غاما أي تأخير في وقت السفر ، مما يعني أن سرعة الضوء مستقلة عن الطاقةالحقيقة الغريبة هي أن طاقة الفوتون ، أو أي شكل حركي للطاقة (طاقة الحركة) ليست أساسية ، ولكنها تعتمد على حركة الراصد. إذا تحركت نحو الفوتون ، فستبدو طاقته أكبر بالنسبة لك (يتحول الطول الموجي إلى الجزء الأزرق من الطيف) ، وإذا ابتعدت عنه ، فستكون طاقته أقل ، وستبدو متحولة إلى الجزء الأحمر من الطيف. الطاقة نسبية ، ولكن لأي مراقب يتم الحفاظ عليها. بغض النظر عن التفاعلات ، لا توجد الطاقة بمفردها مطلقًا ، ولكن فقط كجزء من نظام من الجسيمات ، ضخمة أم لا.
يمكن للطاقة أن تغير الأشكال ، حتى تتحول من طاقة الكتلة إلى حركية بحتة ، ولكنها موجودة دائمًا على شكل جسيماتهناك نوع واحد من الطاقة يمكن أن يفعله بدون جسيمات: الطاقة المظلمة. قد يتحول شكل الطاقة الذي يؤدي إلى تمدد الكون مع التسارع إلى الطاقة الكامنة في نسيج الكون! هذا التفسير للطاقة المظلمة متسق داخليًا ويتزامن مع ملاحظات المجرات والكوازارات البعيدة والبعيدة عنا. المشكلة الوحيدة هي أنه لا يمكن استخدام هذا الشكل من الطاقة لإنشاء أو تدمير الجسيمات ، ولا يمكن تحويلها بين أشكال أخرى من الطاقة. يبدو أنه كيان في حد ذاته ، لا يرتبط بالتفاعلات مع أشكال أخرى من الطاقة الموجودة في الكون.
بدون الطاقة المظلمة ، لن يتسارع الكون. لكن لا يمكن للمرء أن يصل إلى هذه الطاقة من خلال جزيئات أخرى من الكون.لذا فإن الإجابة الكاملة على سؤال وجود الطاقة النظيفة ستكون كالتالي:
• بالنسبة لجميع الجسيمات الموجودة ، الضخمة وغير الضخمة ، تعد الطاقة إحدى خصائصها ، ولا يمكن أن توجد بشكل منفصل.
• في جميع المواقف التي يبدو فيها فقدان الطاقة في النظام ، على سبيل المثال ، أثناء الانقراض الثقالي ، هناك شكل من أشكال الإشعاع الذي يحمل هذه الطاقة بعيدًا ، مما يحفظها.
قد تكون الطاقة المظلمة أنقى أشكال الطاقة الموجودة بغض النظر عن الجسيمات ، ولكن باستثناء توسع الكون ، لا يمكن الوصول إلى هذه الطاقة لأي شيء آخر في الكون.
على حد علمنا ، الطاقة ليست شيئًا يمكن عزله في المختبر ، ولكنها واحدة من الخصائص العديدة التي تمتلكها المادة المضادة والإشعاع. خلق طاقة مستقلة عن الجسيمات؟ ربما يفعل الكون ذلك ، ولكن حتى نتعلم كيفية إنشاء أو تدمير الزمكان ، فإن مثل هذه الإجراءات لا تصلح لنا.
إيثان سيغل - فيزيائي فلكي ، مروج للعلوم ، مؤلف كتاب "يبدأ بانفجار!" كتب كتب "ما وراء المجرة" [ ما وراء المجرة ] و "Tracknology: علم ستار تريك" [ Treknology ].