Fragen Sie Ethan: Gibt es so etwas wie saubere Energie?

Das Erscheinen des Higgs-Bosons auf einem kompakten Myon-Magnetdetektor am Large Hadron Collider. Diese energiereiche Kollision zeigt die volle Kraft der Energieumwandlung, die immer in Form von Partikeln vorliegt.

Energie spielt nicht nur in unserem mit Technologie gefüllten Alltag eine entscheidende Rolle, sondern auch in der Grundlagenphysik. Die in Benzin gespeicherte chemische Energie wird in die kinetische Energie unserer Fahrzeuge umgewandelt, und der Strom aus Kraftwerken wird in unseren Häusern in Licht, Wärme und andere Energieformen umgewandelt. Diese Energie scheint jedoch in Form einer Eigenschaft eines unabhängigen Systems zu existieren. Aber muss alles so sein? Unser Leser aus Moskau stellt eine Frage zur Energie selbst:

Gibt es reine Energie, vielleicht einige Zeit bevor sie sich in ein Teilchen oder ein Photon verwandelt? Oder ist es nur eine bequeme mathematische Abstraktion, das Äquivalent, das wir in der Physik verwenden?

Grundsätzlich kann Energie viele Formen annehmen.


Bekannte Partikel im Standardmodell. Dies sind alles Teilchen, die wir direkt entdeckt haben; Mit Ausnahme einiger Bosonen haben alle Partikel Masse.

Die einfachste und bekannteste Energieform wird durch Masse ausgedrückt. Normalerweise argumentieren wir nicht mit Einsteins E = mc ² , aber jedes physikalische Objekt, das jemals im Universum existiert hat, besteht aus massiven Teilchen, und einfach weil sie Masse haben, haben diese Teilchen Energie. Wenn sich diese Teilchen bewegen, haben sie zusätzliche Energie - kinetische oder Bewegungsenergie.


Elektronische Übergänge in einem Wasserstoffatom zusammen mit den Wellenlängen der resultierenden Photonen veranschaulichen die Bindungsenergie

Schließlich können diese Partikel auf verschiedene Weise aneinander binden und komplexere Strukturen bilden - Kerne, Atome, Moleküle, Zellen, Organismen, Planeten usw. Diese Art von Energie ist als Bindungsenergie bekannt und tatsächlich negativ. Es reduziert die Ruhemasse des gesamten Systems, und daher kann die in den Sternenkernen auftretende Kernfusion so viel Licht und Wärme abgeben: Die Masse wird durch dieselbe Formel E = mc ² in Energie umgewandelt. In der 4,5 Milliarden Jahre alten Geschichte der Sonne hat sie allein aufgrund der Synthese von Helium aus Wasserstoff an Masse des Saturn verloren.


Die Sonne erzeugt Energie, indem sie Helium aus Wasserstoff im Kern synthetisiert und dabei eine geringe Menge an Masse verliert.

Die Sonne liefert ein weiteres Beispiel für Energie: Licht und Wärme kommen in Form von Photonen, die sich von den von uns beschriebenen Energieformen unterscheiden. Es gibt auch masselose Teilchen - Teilchen ohne Ruheenergie - und diese Teilchen, Photonen, Gluonen und hypothetischen Gravitonen, bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Sie übertragen jedoch Energie in Form von kinetischer Energie und sind im Fall von Gluonen für die Bindungsenergie in Atomkernen und Protonen verantwortlich.


Die Theorie der asymptotischen Freiheit , die die Stärke der Wechselwirkungen von Quarks im Kern beschreibt, brachte Gross, Wilczek und Politzer den Nobelpreis.

Die grundlegende Frage ist, ob Energie unabhängig von einem dieser Teilchen existieren kann. Es gab eine verlockende Möglichkeit, dass es separat in Form der Schwerkraft existiert: Seit vielen Jahrzehnten beobachten wir die Bahnen von binären Neutronensternen - zwei Überreste von kollabierten Sternen, die sich gegenseitig umkreisen. Dank Messungen der Pulsarpulsdauer konnten wir feststellen, dass diese Bahnen abnehmen und sich spiralförmig zusammen bewegen, wenn einer der Sterne regelmäßige Signale an unsere Seite sendet. Mit einer Erhöhung ihrer Bindungsenergie sollte irgendeine Form von Energie emittiert werden. Wir konnten Reduktionseffekte feststellen, aber keine abgestrahlte Energie.


Für Neutronensterne, die sich umeinander drehen, sagt Einsteins allgemeine Relativitätstheorie eine Abnahme der Umlaufbahnen und die Emission von Gravitationsstrahlung voraus

Die einzige Möglichkeit, dies zu erklären, war die Einführung einer Art von Gravitationsstrahlung: Wir brauchten Gravitationswellen, um zu existieren. Die erste vom LIGO-Detektor am 14. September 2015 aufgezeichnete Schwarzlochfusion sollte diese Theorie testen. An diesem Tag haben wir zwei zusammen spiralförmige Schwarze Löcher und direkte Gravitationswellen aufgezeichnet, die durch diese Fusion emittiert wurden. Die ursprünglichen Schwarzen Löcher hatten Massen von 36 und 29 Sonnen; Das letzte Loch nach der Fusion hatte eine Masse von 62 Sonnen.


Die wichtigsten Parameter für die Verschmelzung von Schwarzen Löchern 14. September 2015. Beachten Sie, dass während der Fusion drei Sonnenmassen verloren gingen - diese Energie lebt jedoch in Form von Gravitationsstrahlung

Die fehlenden drei Sonnenmassen wurden in Form von Gravitationswellen emittiert, und die Stärke der Wellen, die wir gefangen haben, stimmte genau mit der berechneten überein, die zur Energieeinsparung benötigt wurde. Einsteins E = mc ² und Energieübertragung in Form von Partikeln oder physikalischen Phänomenen wurden erneut bestätigt.


Spiralansatz und Fusion des ersten Paares von Schwarzen Löchern von allen direkt beobachteten

Energie nimmt verschiedene Formen an, und einige von ihnen sind von grundlegender Bedeutung. Die Restmasse eines Partikels ändert sich nicht mit der Zeit, ebenso wie sie sich nicht von Partikel zu Partikel ändert. Diese Art von Energie ist in allem im Universum enthalten. Alle anderen vorhandenen Energieformen sind damit verbunden. Ein Atom in einem angeregten Zustand trägt mehr Energie als ein Atom im Grundzustand - aufgrund der unterschiedlichen Bindungsenergie. Wenn Sie in einen niedrigeren Energiezustand gelangen möchten, müssen Sie ein Photon emittieren. Es ist unmöglich, diesen Übergang ohne Energieeinsparung durchzuführen, und diese Energie sollte von einem Teilchen weggetragen werden - selbst wenn es masselos ist.


In diesem Bild trägt ein Photon (lila) eine Million Mal mehr Energie als ein anderes (gelb). Die Daten des Fermi-Observatoriums für zwei Photonen aus einem Gammastrahlen-Burst zeigen keine Verzögerung der Laufzeit, was bedeutet, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Energie ist

Die seltsame Tatsache ist, dass die Photonenenergie oder irgendeine kinetische Energieform (Bewegungsenergie) nicht grundlegend ist, sondern von der Bewegung des Beobachters abhängt. Wenn Sie sich in Richtung des Photons bewegen, erscheint seine Energie für Sie größer (die Wellenlänge verschiebt sich zum blauen Teil des Spektrums), und wenn Sie sich von ihm wegbewegen, ist seine Energie geringer und es scheint sich zum roten Teil des Spektrums zu verschieben. Energie ist relativ, aber für jeden Beobachter bleibt sie erhalten. Unabhängig von den Wechselwirkungen existiert Energie niemals für sich, sondern nur als Teil eines Systems von Teilchen, ob massiv oder nicht.


Energie kann Formen ändern, sich sogar von der Energie der Masse in rein kinetische umwandeln, existiert aber immer in Form von Partikeln

Es gibt eine Art von Energie, die wahrscheinlich ohne Partikel auskommen kann: dunkle Energie. Die Form der Energie, die bewirkt, dass sich das Universum mit Beschleunigung ausdehnt, kann sich als die Energie herausstellen, die dem Gewebe des Universums innewohnt! Diese Interpretation der Dunklen Energie ist intern konsistent und stimmt mit Beobachtungen von Galaxien und Quasaren überein, die weit entfernt von uns sind. Das einzige Problem ist, dass diese Energieform nicht zur Erzeugung oder Zerstörung von Partikeln verwendet werden kann und nicht zwischen anderen Energieformen umgewandelt werden kann. Es scheint eine Einheit an sich zu sein, die nicht mit Wechselwirkungen mit anderen Energieformen im Universum zusammenhängt.


Ohne dunkle Energie würde sich das Universum nicht beschleunigen. Aber man kann diese Energie nicht durch andere Teilchen des Universums erreichen.

Die vollständige Antwort auf die Frage nach der Existenz sauberer Energie lautet also:

• Für alle vorhandenen Teilchen, massiv und nicht, ist Energie eine ihrer Eigenschaften und kann nicht separat existieren.
• In allen Situationen, in denen es den Anschein hat, dass Energie im System verloren geht, beispielsweise während der Gravitationsauslöschung, gibt es eine Form von Strahlung, die diese Energie wegführt und sie bewahrt.
• Dunkle Energie mag die reinste Energieform sein, die unabhängig von Teilchen existiert, aber mit Ausnahme der Ausdehnung des Universums ist diese Energie für nichts anderes im Universum zugänglich.

Nach unserem Kenntnisstand kann Energie nicht im Labor isoliert werden, sondern ist eine der vielen Eigenschaften, die Materie, Antimaterie und Strahlung besitzen. Teilchenunabhängige Energie erzeugen? Vielleicht tut das Universum dies, aber bis wir lernen, Raum-Zeit zu erschaffen oder zu zerstören, funktionieren solche Aktionen für uns nicht.

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).