Die Energie, die alles zusammenhält

In meinem Artikel über Energie und Masse und verwandte Konzepte konzentrierte ich mich auf Teilchen - Feldstörungen - und die Gleichungen, durch die Einstein ihre Energie, ihren Impuls und ihre Masse verband. Energie entsteht aber auch an anderen Orten, nicht nur durch Partikel. Um das Universum und seine Funktionsweise wirklich zu verstehen, muss man verstehen, dass Energie durch die Wechselwirkung verschiedener Felder oder sogar durch die Wechselwirkung mit dem Feld selbst entstehen kann. Die gesamte Struktur unserer Welt - Protonen, Atome, Moleküle, Körper, Berge, Planeten, Sterne, Galaxien - ist das Ergebnis der Anwesenheit dieser Art von Energie. Tatsächlich sind viele Arten von Energie, über die wir sprechen, als ob sie sich voneinander unterscheiden - chemische Energie, Kernenergie, elektromagnetische Energie - entweder eine Form von Wechselwirkungsenergie oder stehen in irgendeiner Beziehung dazu.

Wenn die Schüler anfangen, Physik zu lernen, schließt diese Art von Energie das ein, was Lehrer "potentielle Energie" nennen. Aber da das Wort "Potenzial" in der englischen [und russischen] Sprache nicht dasselbe bedeutet wie in der Physik, und da sich die Art und Weise, wie dieses Konzept präsentiert wird, vom modernen physikalischen Standpunkt stark unterscheidet, bevorzuge ich es, einen anderen Namen für diese Energie zu verwenden - damit sie nicht mit den Wahrnehmungen des Lesers in Kontakt tritt, weder richtig noch falsch.

Außerdem habe ich in einem Artikel über Masse und Energie die Energie der Interaktion "die Energie der Beziehungen" genannt. Im Folgenden wird klar, warum - aber ich entschied, dass es eine schlechte Idee war, und wechselte zu einer anderen Namenskonvention.

Präambel: Überarbeitung der Konzepte

Aus heutiger Sicht, von Physikern bevorzugt und in Experimenten verifiziert, besteht die ganze Welt aus Feldern. Das intuitivste Beispiel für ein Feld ist der Wind:

• Es kann überall gemessen werden,
• Es kann Null oder Nicht-Null sein.
• Wellen (die wir Schall nennen) können durch sie hindurchtreten.

In den meisten Bereichen können sich Wellen bilden, und dank der Quantenmechanik können diese Wellen nicht beliebig klein sein.

Die Welle mit der kleinstmöglichen Höhe - entweder die kleinste Amplitude und die geringste Leistung - wird als "Quantum" oder oft als "Teilchen" bezeichnet - die letztere Option führt jedoch manchmal zu Verwirrung.

Ein Photon ist ein Quantum oder ein Lichtteilchen („Licht“ bedeutet hier sowohl den sichtbaren Teil des Spektrums als auch andere Variationen). Dies ist der dunkelste mögliche Lichtstoß, die am wenigsten starke Welle in einem elektrischen und magnetischen Feld, die erzeugt werden kann. Sie können zwei Photonen erzeugen, drei oder zweiundsechzig. Sie können nicht ein Drittel eines Photons oder zweieinhalb erzeugen. Ihre Augen absorbieren jeweils ein Photon.

Gleiches gilt für Elektronen, Myonen, Quarks, W-Teilchen, ein Higgs-Teilchen und alles andere. Dies sind alles Quanten ihrer Felder.

In diesem Fall verhält sich ein Quantum, obwohl es eine Störung des Feldes darstellt, wie ein Teilchen:

• Bewahrt die Integrität beim Bewegen im leeren Raum.
• Es hat bestimmte, wenn auch vom Beobachter abhängige Energie und Dynamik.
• Es hat eine bestimmte Masse unabhängig vom Beobachter.
• Kann als Ganzes abgestrahlt oder absorbiert werden.

Ich möchte Sie daran erinnern, dass es in der Teilchenphysik üblich ist, die früher als "Ruhemasse" bezeichnete Masse zu verstehen, für die die Gleichung E = mc ² nur erfüllt ist, wenn sich das Teilchen in Ruhe befindet. Für ein sich bewegendes Teilchen ist E> mc ² , da die Energie seiner Masse mc ² ist und die Bewegungsenergie immer positiv ist. Diese Definition sollte beim Lesen dieses Artikels berücksichtigt werden.

Die Energie interagierender Felder

Wenden wir uns nun der schwer fassbaren Energieform zu. Die Teilchenenergie besteht aus der Energie der Masse und der Energie der Bewegung. Denken Sie daran, dass ein Teilchen eine Störung des Feldes ist, dh eine genau definierte Welle.


Abb. 1: eine Skizze, wie das Vorhandensein eines Quanten eines Feldes (blaue Welle) eine Störung im zweiten Feld (grün) erzeugt, die die größte Intensität um die Störung herum erreicht und beim Wegbewegen auf Null abfällt.

Aber die Felder sind in der Lage, viele Dinge zu tun und nicht nur Störungen zu erzeugen. Beispielsweise kann eine Störung in einem Feld eine Nichtwellenänderung in einem anderen Feld verursachen. In Abb. 1 Ich habe einen solchen Fall gezeichnet - eine blaue Quantenwelle eines Feldes und die Antwort eines anderen Feldes.

Nehmen wir an, wir haben zwei Teilchen - seien es Störungen zweier verschiedener Felder. In Abb. 2 Ich habe sie mit blauen und orangefarbenen Wellen markiert. Beide Felder interagieren mit dem grünen Feld. Dann wird es schwieriger, das grüne Feld zu ändern. Dies ist eine Skizze, keine exakte Widerspiegelung dessen, was zu schwer darzustellen ist, aber er gibt eine Idee.

Was ist die Energie dieses Systems aus zwei Teilchen - zwei Störungen zweier verschiedener Felder und ein drittes Feld, das mit beiden interagiert?

Störungen sind Quanten oder Teilchen. Sie haben Masse und Bewegungsenergie und beide Größen sind positiv.


Abb. 2

Das Ändern der grünen Wiese hat auch eine Art Energie. Es ist auch positiv, obwohl es im Vergleich zur Teilchenenergie oft sehr klein ist. Es wird oft Feldenergie genannt.

In den Beziehungen der verschiedenen Bereiche gibt es jedoch zusätzliche Energie. Energie ist dort, wo die blauen und grünen Felder stark sind, und auch dort, wo die orangefarbenen und grünen Felder stark sind. Und hier ist die Fremdheit. Wenn wir Abb. 1 mit Abb. 2, es wird Energie sowohl dort geben, wo das blaue als auch das grüne Feld stark sind. Das Vorhandensein von Störungen im orangefarbenen Feld in der Nähe ändert jedoch das grüne Feld und damit die Energie in dem Bereich, in dem sich das blaue Feld befindet, wie in Fig. 1 gezeigt. 3.


Abb. 3

Abhängig davon, wie die orangefarbenen und grünen Felder miteinander interagieren und wie die blauen und grünen Felder interagieren, kann die Energieänderung positiv oder negativ sein. Ich werde diese Veränderung die Energie der Interaktion nennen.

Die Möglichkeit einer negativen Änderung der Wechselwirkungsenergie von blauen und grünen Feldern aufgrund einer orangefarbenen Störung (und umgekehrt) ist die Möglichkeit, dass die Wechselwirkungsenergie negativ ist. Dies ist die wichtigste Tatsache, aufgrund derer es möglich wird, dass alle Strukturen im Universum existieren, von Atomkernen bis hin zu menschlichen Körpern und Galaxien. Dies ist, was unten beschrieben wird.

Erde und Mond

Die Erde ist offensichtlich kein Teilchen. Dies ist eine riesige Menge von Partikeln, Störungen verschiedener Felder. All dies gilt jedoch für viele Störungen und nicht nur für eine, und alle interagieren mit Gravitationsfeldern.

Stellen Sie sich die Erde alleine vor. Ihre Anwesenheit erzeugt eine Störung im Gravitationsfeld (was aus Sicht von Einstein eine Verzerrung des lokalen Raums und der Zeit darstellt, aber dies ist für uns nicht kritisch). Jetzt platzieren wir in der Nähe des Mondes. Es verzerrt auch das Gravitationsfeld. Und das Gravitationsfeld um die Erde ändert sich aufgrund der Anwesenheit des Mondes. Die Details der Wechselwirkung der Schwerkraft mit den Teilchen und Feldern, aus denen die Erde besteht, stellen sicher, dass die negative Energie der Wechselwirkung zwischen dem Gravitationsfeld und der Erde als Ergebnis des Einflusses des Mondes auftritt. Das Gegenteil ist auch wahr.

Deshalb können Mond und Erde nicht auseinander fliegen und gefangen bleiben, so fest miteinander verbunden, als wären sie durch ein riesiges Kabel verbunden. Wenn der Mond sehr weit von der Erde entfernt wäre, wäre die Wechselwirkungsenergie des Systems - der Erde, des Mondes und des Gravitationsfeldes - Null und nicht negativ. Aber Energie muss gespart werden. Um den Mond im Vergleich zu seinem aktuellen Standort weiter von der Erde zu entfernen, ist es daher notwendig, irgendwo eine große Menge positiver Energie aufzunehmen - um die negative Wechselwirkungsenergie auf Null zu erhöhen. Der Mond und die Erde haben eine positive Bewegungsenergie aufgrund von Bewegungen in Umlaufbahnen, aber es reicht nicht aus, dass sie sich zerstreuen.


Abb. 4: Die absolute Analogie zu Abb. 3

Und abgesehen davon, dass ein anderer Planet mit dem Mond kollidiert, gibt es keine Möglichkeit, versehentlich oder absichtlich so große Energie aus nahe gelegenen Quellen zu gewinnen. Die Kraft aller von der Menschheit angesammelten Waffen reicht nicht aus. Daher kann sich der Mond nicht plötzlich von der Erde entfernen - er ist für eine lange Zeit hier, bis ihn eine beeindruckende Katastrophe aus der Umlaufbahn bringt.

Sie wissen vielleicht, dass die Theorie der Kollision zweier Objekte von der Größe eines Planeten - der großen Protoerde und eines Objekts von der Größe des Mars - als die populärste Theorie der Entstehung von Erde und Mond gilt. Diese Theorie erklärt die vielen komplexen Geheimnisse, die mit dem Mond verbunden sind. Zu Beginn des Sonnensystems kam es auf planetarischer Ebene definitiv zu Kollisionen mit hoher Energie, da sich Sonne und Planeten vor mehr als 4 Milliarden Jahren gebildet haben! Aber solche Zusammenstöße gibt es schon lange nicht mehr.

Dieselbe Logik erklärt, warum künstliche Erdsatelliten in der Umlaufbahn bleiben, warum die Erde an die Sonne gebunden ist und die Sonne an die Milchstraße, die Stadt, in der eine Billion Sterne leben.

Wasserstoffatom

In kleinerem Maßstab und mit weniger offensichtlichen Konsequenzen bleiben das Elektron und das Proton, aus denen das Wasserstoffatom besteht, miteinander verbunden, es sei denn, Energie kommt von außen, um ihren Zustand zu ändern. In diesem Fall wird die Hauptarbeit vom elektrischen Feld ausgeführt. In Gegenwart eines Elektrons ist die Wechselwirkungsenergie zwischen dem elektrischen Feld und dem Proton (und umgekehrt) negativ. Nachdem Sie aus einem Elektron und einem Proton ein Wasserstoffatom gebildet haben (und einen winzigen Bruchteil einer Sekunde gewartet haben, bis sie sich in der bevorzugten Konfiguration, dem Grundzustand, niedergelassen haben), beträgt die zur Trennung erforderliche Energiemenge etwa 14 eV. Wir nennen es die Wasserstoffbindungsenergie.


Abb. 5 ( nicht maßstabsgetreu! Das Elektron und das Proton sind viel kleiner). Innerhalb des Wasserstoffatoms breitet sich die Elektronenstörung in Form einer Wolke um ein Proton aus. Die Wechselwirkungsenergie, einschließlich Proton, Elektron und Elektronenfeld, beträgt -28 eV, wird teilweise kompensiert (hauptsächlich aufgrund der Bewegungsenergie des Elektrons) und ergibt eine Bindungsenergie von -14 eV.

Wir können die Bindungsenergie messen, indem wir die Wasserstoffatome mit ultraviolettem Licht beleuchten (Photonen mit einer Energie, die zu groß ist, um vom Auge gesehen zu werden) und indem wir untersuchen, wie groß die Photonenenergie sein muss, um das Wasserstoffatom aufzubrechen. Wir können es auch mit den Gleichungen der Quantenmechanik berechnen - und eine erfolgreiche Vorhersage dieser Größe ist einer der einfachsten Tests der modernen Theorie der Quantenphysik.

Aber jetzt möchte ich zu dem zurückkehren, was ich in dem Artikel über Masse und Energie erwähnt habe, zu einer von Einsteins Schlüsselideen, die er durch die Arbeit mit den Konsequenzen seiner Gleichungen erworben hat. Wenn Sie ein Objektsystem haben, entspricht die Masse des Systems nicht der Summe der Massen der darin enthaltenen Objekte. Es ist nicht einmal proportional zur Summe der Energien der darin enthaltenen Teilchen. Sie ist gleich der Gesamtenergie des Systems geteilt durch c ² aus Sicht des ruhenden Beobachters relativ zu diesem System. (Für einen sich bewegenden Beobachter hat das System auch Bewegungsenergie, die dem System keine Masse hinzufügt.) Diese Gesamtenergie beinhaltet:

• Die Energie der Partikelmasse (Feldschwankungen),
• Teilchenbewegungsenergien,
• Andere Quellenenergiequellen, die aus Nichtwellenstörungen resultieren,
• Feldwechselwirkungsenergien.

Was haben wir daraus gelernt, dass 14 eV benötigt werden, um ein Wasserstoffatom zu zerstören? Nun, nachdem Sie dieses System gebrochen haben, werden Sie sich mit einem Proton und einem Elektron in Ihren Händen befinden, weit voneinander entfernt und nicht besonders schnell bewegend. In diesem Moment wird die Energie des Systems sein:

• Teilchenmassenenergien = Elektronenmassenenergie + Protonenmassenenergie = 510 999 eV + 938 272 013 eV
• Teilchenenergie = 0
• Andere Feldenergiequellen aufgrund von Nichtwellenstörungen = 0
• Feldwechselwirkungsenergien = 0

Wir wissen jedoch, dass das Wasserstoffatomsystem zuvor eine Energie von 14 eV weniger hatte.

Die Elektronenmassenenergie beträgt immer 510 999 eV und das Proton 938 272 013 eV, unabhängig davon, was sie tun. Daher ist der Beitrag der Energie der Wasserstoffmasse zur Gesamtenergie der gleiche wie der des seitlich verdünnten Elektrons und Protons. Folgendes sollte erhalten werden:

• Die Bewegungsenergie von Partikeln im Wasserstoff,
• PLUS andere Quellen von Feldenergien durch Nichtwellenstörungen (extrem klein),
• PLUS Feldwechselwirkungsenergie,
• Die Bindungsenergien -14 eV sollten GLEICH sein.

Und wenn Sie alle Berechnungen durchführen, sind die Zahlen ungefähr so:

• Teilchenenergie = +14 eV,
• andere Quellen von Feldenergien durch Nichtwellenstörungen = extrem klein,
• Feldwechselwirkungsenergie = -28 eV,

und die Summe von all dem ist gleich -14 eV.

Die Tatsache, dass die Wechselwirkungsenergie gleich -2 * der Bewegungsenergie ist, ist kein Zufall. Grob gesagt ergibt sich dies aus dem Gesetz der inversen Quadrate für elektrische Felder. Dies folgt insbesondere aus dem Virialsatz .

Was ist dann die Masse des Wasserstoffatoms?

Elektronenmasse + Protonenmasse + Bindungsenergie / c ²

Und da die Bindungsenergie aufgrund des großen Moduls und der negativen Wechselwirkungsenergie negativ ist, stellt sich heraus

$$

$$m_ {Wasserstoff} <m_ {Proton} + m_ {Elektron}$$

Dies ist eine der wichtigsten Tatsachen des Universums!

Warum zerfällt ein Wasserstoffatom nicht?

Jetzt werde ich Ihnen dasselbe sagen, aber in einer etwas anderen Sprache, der Sprache der Teilchenphysik.

Wasserstoff ist ein stabiles Verbindungsobjekt, das aus einem Proton und einem Elektron besteht und durch Wechselwirkung mit einem elektrischen Feld verbunden ist.

Warum ist es stabil?

Jedes instabile Objekt verfällt. Zerfall ist nur möglich, wenn die Summe der Partikelmassen, in die das Primärobjekt zerfällt, geringer ist als die Masse des Ausgangsobjekts. Dies ergibt sich aus den Gesetzen zur Erhaltung von Energie und Impuls .

Die kleinsten Dinge, in die ein Wasserstoffatom zerfallen kann, sind ein Proton und ein Elektron. Die Masse des Wasserstoffatoms ist jedoch geringer (aufgrund der negativen Bindungsenergie von 14 eV) als die Summe der Massen von Elektron und Proton. Dies ist wiederum wichtig:

$$

$$m_ {Wasserstoff} <m_ {Proton} + m_ {Elektron}$$

Aber Wasserstoff kann nicht in etwas anderes zerfallen, daher kann Wasserstoff überhaupt nicht zerfallen.

All dies funktioniert, bis das Proton zerfällt, was, wenn es passieren kann, unglaublich selten ist - wir haben noch nie ein solches Ereignis gesehen. Wir wissen bereits mit Sicherheit, dass dies ein so seltenes Ereignis ist, dass während Ihres Lebens kein einziges Proton in Ihrem Körper zerfällt. Also werden wir diese Gelegenheit fallen lassen.

Gleiches gilt für die übrigen Atome. Atome sind stabil, weil die Wechselwirkungsenergie von Elektronen und Atomkernen negativ ist. Die Masse eines Atoms ist kleiner als die Summe der Massen seiner Komponenten, so dass das Atom nicht in Elektronen und den Kern zerfallen kann.

Ein Haken: Ein Atom kann infolge des nuklearen Zerfalls unterschiedlich auseinanderfallen. Und wenn das Proton nicht zerfallen kann (oder es äußerst selten tut), ist die Situation für die meisten Kerne bereits völlig anders.

Und das bringt uns zu wichtigen Themen.

• Warum ist ein Neutron, das selbst instabil ist, in einem Atomkern stabil?
• Warum sind einige Atomkerne stabil und andere nicht?
• Warum ist ein Proton stabil, obwohl er schwerer als die darin enthaltenen Quarks ist?