L'énergie qui lie tout ensemble

Dans mon article sur l'énergie et la masse et les concepts connexes, je me suis concentré sur les particules - les perturbations du champ - et les équations par lesquelles Einstein a lié leur énergie, leur quantité de mouvement et leur masse. Mais l'énergie naît dans d'autres endroits, non seulement à cause des particules. Afin de vraiment comprendre l'Univers et son fonctionnement, il est nécessaire de comprendre que l'énergie peut apparaître en raison de l'interaction de divers champs, ou même en raison de l'interaction avec le champ lui-même. Toute la structure de notre monde - protons, atomes, molécules, corps, montagnes, planètes, étoiles, galaxies - est le résultat de la présence de ce type d'énergie. En fait, de nombreux types d'énergie dont nous parlons comme s'ils étaient différents les uns des autres - énergie chimique, énergie nucléaire, énergie électromagnétique - sont soit une forme d'énergie d'interaction, soit y sont liés d'une manière ou d'une autre.

Lorsque les élèves commencent à apprendre la physique, ce type d'énergie comprend ce que les enseignants appellent «l'énergie potentielle». Mais puisque le mot «potentiel» dans les langues anglais [et russe] ne signifie pas la même chose qu'en physique, et puisque la façon dont ce concept est présenté est très différente du point de vue physique moderne, je préfère utiliser un autre nom pour cette énergie - afin qu'elle ne contacte pas les perceptions du lecteur, bonnes ou mauvaises.

De plus, dans un article sur la masse et l'énergie, j'ai appelé l'énergie d'interaction «l'énergie des relations». Ci-dessous, il deviendra clair pourquoi - mais j'ai décidé que c'était une mauvaise idée et je suis passé à une autre convention de dénomination.

Préambule: révision des concepts

Du point de vue actuel, préféré des physiciens et vérifié dans les expériences, le monde entier est constitué de champs. L'exemple le plus intuitif d'un champ est le vent:

• Il peut être mesuré partout,
• Il peut être nul ou non nul,
• Les ondes (que nous appelons son) peuvent le traverser.

Des vagues peuvent se former dans la plupart des domaines, et grâce à la mécanique quantique, ces vagues ne peuvent pas être arbitrairement petites en hauteur.

L'onde de la plus petite hauteur possible - soit la plus petite amplitude et la moindre puissance - est appelée un "quantum", ou souvent une "particule" - cependant, cette dernière option conduit parfois à la confusion.

Un photon est un quantum ou une particule de lumière («lumière» signifie ici à la fois la partie visible du spectre et d'autres variations). Il s'agit de l'éclat de lumière le plus faible possible, l'onde la moins puissante dans un champ électrique et magnétique qui puisse être créée. Vous pouvez créer deux photons, trois ou soixante-deux. Vous ne pouvez pas créer un tiers d'un photon ou deux et demi. Vos yeux sont conçus pour absorber un photon à la fois.

Il en va de même pour les électrons, les muons, les quarks, les particules W, une particule de Higgs et tout le reste. Ce sont tous des quanta de leurs domaines.

Dans ce cas, un quantum, bien qu'il s'agisse d'une perturbation du champ, se comporte comme une particule:

• Maintient l'intégrité lors du déplacement dans un espace vide.
• Il a certain, bien que dépendant de l'observateur, de l'énergie et de l'élan.
• Il a une certaine masse indépendante de l'observateur.
• Peut être rayonné ou absorbé dans son ensemble.

Permettez-moi de vous rappeler qu'en physique des particules, il est habituel de comprendre en masse ce que l'on appelait auparavant la "masse au repos", pour laquelle l'équation E = mc ² n'est satisfaite que si la particule est au repos. Pour une particule en mouvement, E> mc ² , puisque l'énergie de sa masse est mc ² , et l'énergie du mouvement est toujours positive. Cette définition doit être gardée à l'esprit lors de la lecture de cet article.

L'énergie des champs en interaction

Passons maintenant à la forme d'énergie la plus insaisissable. L'énergie des particules est constituée de l'énergie de la masse et de l'énergie du mouvement. N'oubliez pas qu'une particule est une perturbation du champ, c'est-à-dire une onde bien définie.


Fig. 1: un croquis de la façon dont la présence d'un quantum d'un champ (onde bleue) crée une perturbation dans le deuxième champ (vert), atteignant la plus grande intensité autour de la perturbation et diminuant à zéro en s'éloignant.

Mais les champs sont capables de faire beaucoup de choses, non seulement de générer des perturbations. Par exemple, une perturbation dans un champ peut provoquer un changement non ondulatoire dans un autre champ. Dans la fig. 1 J'ai dessiné un tel cas - une onde quantique bleue d'un champ et la réponse d'un autre champ.

Supposons que nous ayons deux particules - que ce soit des perturbations de deux champs différents. Dans la fig. 2 Je les ai marqués avec des vagues bleues et orange. Ces deux champs interagissent avec le champ vert. Changer le champ vert deviendra alors plus difficile. Ceci est un croquis, pas un reflet exact de ce qui est trop difficile à représenter, mais il donne une idée.

Quelle est l'énergie de ce système de deux particules - deux perturbations de deux champs différents et un troisième champ interagissant avec les deux?

Les perturbations sont des quanta ou des particules. Ils ont une masse et une énergie de mouvement, et ces deux quantités sont positives.


Fig. 2

Changer le champ vert a aussi une sorte d'énergie. Elle est également positive, bien que souvent très faible par rapport à l'énergie des particules. Elle est souvent appelée énergie de champ.

Mais dans les relations entre les différents domaines, il y a de l'énergie supplémentaire. L'énergie est là où les champs bleu et vert sont forts, et aussi où les champs orange et vert sont forts. Et voici l'étrangeté. Si nous comparons la fig. 1 avec fig. 2, il y aura de l'énergie à la fois là où les champs bleu et vert sont forts. Mais la présence de perturbations dans le champ orange à proximité modifie le champ vert et modifie ainsi l'énergie dans la région où se trouve le champ bleu, comme le montre la Fig. 3.


Fig. 3

Selon la façon dont les champs orange et vert interagissent entre eux, et comment les champs bleu et vert interagissent, le changement d'énergie peut être positif ou négatif. J'appellerai ce changement l'énergie de l'interaction.

La possibilité d'un changement négatif dans l'énergie d'interaction des champs bleu et vert en raison de la présence d'une perturbation orange (et vice versa) - la possibilité que l'énergie d'interaction soit négative est le fait le plus important, car il devient possible pour toutes les structures de l'Univers d'exister, des noyaux atomiques aux corps humains et galaxies. C'est ce qui est décrit ci-dessous.

Terre et lune

La Terre n'est évidemment pas une particule. Il s'agit d'un énorme ensemble de particules, des perturbations de divers champs. Mais tout ce qui précède s'applique à de nombreuses perturbations, et pas à une seule, et elles interagissent toutes avec des champs gravitationnels.

Imaginez la Terre seule. Sa présence crée une perturbation du champ gravitationnel (qui, du point de vue d'Einstein, est une distorsion de l'espace et du temps local, mais ce n'est pas critique pour nous). Maintenant, nous plaçons à proximité de la lune. Il déforme également le champ gravitationnel. Et le champ gravitationnel autour de la Terre change en raison de la présence de la lune. Les détails de l'interaction de la gravité avec les particules et les champs qui composent la Terre garantissent que l'énergie négative de l'interaction entre le champ gravitationnel et la Terre apparaît sous l'effet de l'influence de la lune. L'inverse est également vrai.

C'est pourquoi la Lune et la Terre ne peuvent pas voler en éclats et rester emprisonnées, liées aussi étroitement que si elles étaient reliées par un câble géant. Si la Lune était très loin de la Terre, alors l'énergie d'interaction du système - la Terre, la Lune et le champ gravitationnel - serait nulle et non négative. Mais l'énergie doit être conservée. Par conséquent, afin de déplacer la Lune plus loin de la Terre par rapport à son emplacement actuel, il est nécessaire de prendre une énorme quantité d'énergie positive quelque part - afin d'augmenter l'énergie d'interaction négative à zéro. La Lune et la Terre ont une énergie de mouvement positive due au mouvement sur les orbites, mais il ne leur suffit pas de se disperser.


Fig. 4: L'analogie absolue avec la fig. 3

Et en plus de heurter une autre planète avec la Lune, il n'y a aucun moyen d'obtenir une énergie aussi énorme, accidentellement ou intentionnellement, de sources proches. La puissance de toutes les armes accumulées par l'humanité n'est pas suffisante. Par conséquent, la Lune ne peut pas s'éloigner soudainement de la Terre - elle est ici pendant longtemps, jusqu'à ce qu'une catastrophe impressionnante la fasse sortir de son orbite.

Vous savez peut-être que la théorie de la collision de deux objets de la taille d'une planète - la grande proto-terre et un objet de la taille de Mars - est considérée comme la théorie la plus populaire de la formation de la Terre et de la Lune. Cette théorie explique les nombreux mystères complexes associés à la lune. A l'aube du système solaire, des collisions à haute énergie se sont définitivement produites à l'échelle planétaire, puisque le soleil et les planètes se sont formés il y a plus de 4 milliards d'années! Mais de tels affrontements n'existent pas depuis très longtemps.

La même logique explique pourquoi les satellites artificiels de la Terre restent en orbite, pourquoi la Terre est attachée au Soleil et le Soleil à la Voie Lactée, la ville où vivent des milliards d'étoiles.

Atome d'hydrogène

À plus petite échelle et avec des conséquences moins évidentes, l'électron et le proton qui composent l'atome d'hydrogène restent connectés les uns aux autres, à moins que l'énergie ne vienne de l'extérieur pour changer leur état. Dans ce cas, le travail principal est entrepris par le champ électrique. En présence d'un électron, l'énergie d'interaction entre le champ électrique et le proton (et vice versa) est négative. En conséquence, après avoir formé un atome d'hydrogène à partir d'un électron et d'un proton (et attendu une infime fraction de seconde jusqu'à ce qu'ils s'installent dans la configuration préférée, l'état fondamental), la quantité d'énergie nécessaire pour les séparer serait d'environ 14 eV. Nous l'appelons l'énergie de liaison de l'hydrogène.


Fig. 5 ( pas à l'échelle! L' électron et le proton sont beaucoup plus petits). À l'intérieur de l'atome d'hydrogène, la perturbation électronique se propage sous la forme d'un nuage autour d'un proton. L'énergie d'interaction, y compris le proton, l'électron et le champ d'électrons, est de -28 eV, elle est partiellement compensée (principalement en raison de l'énergie de mouvement de l'électron) et donne une énergie de liaison de -14 eV.

Nous pouvons mesurer l'énergie de liaison en éclairant les atomes d'hydrogène avec une lumière ultraviolette (photons avec une énergie trop grande pour être vue par l'œil), et en regardant la taille de l'énergie des photons pour briser l'atome d'hydrogène. Nous pouvons également le calculer en utilisant les équations de la mécanique quantique - et une prédiction réussie de cette quantité est l'un des tests les plus simples de la théorie moderne de la physique quantique.

Mais maintenant, je veux revenir à ce que j'ai mentionné dans l'article sur la masse et l'énergie, à l'une des idées clés d'Einstein qu'il a acquises en travaillant avec les conséquences de ses équations. Si vous avez un système d'objets, la masse du système ne sera pas égale à la somme des masses des objets qu'il contient. Elle n'est même pas proportionnelle à la somme des énergies des particules qu'elle contient. Elle sera égale à l'énergie totale du système divisée par c ² du point de vue de l'observateur au repos par rapport à ce système. (Pour un observateur en mouvement, le système aura également une énergie de mouvement qui n'ajoute pas de masse au système). Cette énergie totale comprend:

• L'énergie de la masse des particules (fluctuations de champ),
• énergies de mouvement des particules,
• Autres sources d'énergie de champ résultant de perturbations non houlomotrices,
• Énergies d'interaction sur le terrain.

Qu'avons-nous appris du fait que 14 eV sont nécessaires pour détruire un atome d'hydrogène? Eh bien, après avoir brisé ce système, vous vous retrouverez avec un proton et un électron dans vos mains, loin l'un de l'autre, et ne se déplaçant pas particulièrement vite. À ce moment, l'énergie du système sera:

• Energies de masse des particules = énergie de masse des électrons + énergie de masse des protons = 510 999 eV + 938 272 013 eV
• Énergie des particules = 0
• Autres sources d'énergie de champ résultant de perturbations non houlomotrices = 0
• Énergies d'interaction de champ = 0

Mais nous savons qu'avant cela, le système des atomes d'hydrogène avait une énergie de 14 eV de moins.

L'énergie de la masse électronique est toujours de 510 999 eV et celle du proton 938 272 013 eV, indépendamment de ce qu'ils font. Par conséquent, la contribution de l'énergie de la masse d'hydrogène à l'énergie totale est la même que celle de l'électron et du proton dilués sur les côtés. Les informations suivantes doivent être obtenues:

• L'énergie de mouvement des particules à l'intérieur de l'hydrogène,
• PLUS d'autres sources d'énergies de champ provenant de perturbations non houlomotrices (extrêmement petites),
• PLUS énergie d'interaction de champ,
• Les énergies de liaison -14 eV doivent être ÉGALES.

Et si vous effectuez tous les calculs, les chiffres ressemblent à ceci:

• Énergie des particules = +14 eV,
• autres sources d'énergies de champ provenant de perturbations non houlomotrices = extrêmement petites,
• énergie d'interaction de champ = -28 eV,

et la somme de tout cela est égale à -14 eV.

Le fait que l'énergie d'interaction soit égale à -2 * l'énergie du mouvement, il n'y a pas d'accident. En gros, cela découle de la loi des carrés inverses pour les champs électriques. Plus précisément, cela découle du théorème virial .

Quelle est donc la masse de l'atome d'hydrogène?

masse d'électrons + masse de protons + énergie de liaison / c ²

Et puisque l'énergie de liaison est négative en raison du grand module et de l'énergie d'interaction négative, il s'avère

$$

$$m_ {hydrogène} <m_ {proton} + m_ {électron}$$

C'est l'un des faits les plus importants de l'univers!

Pourquoi un atome d'hydrogène ne se désintègre-t-il pas

Maintenant, je vais vous dire la même chose, mais dans un langage légèrement différent, le langage de la physique des particules.

L'hydrogène est un objet composé stable, composé d'un proton et d'un électron, connectés par interaction avec un champ électrique.

Pourquoi est-il stable?

Tout objet instable se décomposera. La désintégration n'est possible que si la somme des masses de particules dans lesquelles l'objet principal se désintègre est inférieure à la masse de l'objet initial. Cela découle des lois de conservation de l'énergie et de l'élan .

Les plus petites choses dans lesquelles un atome d'hydrogène peut se désintégrer sont un proton et un électron. Mais la masse de l'atome d'hydrogène est inférieure (en raison de l'énergie de liaison négative de 14 eV) à la somme des masses de l'électron et du proton. Encore une fois, c'est important:

$$

$$m_ {hydrogène} <m_ {proton} + m_ {électron}$$

Mais l'hydrogène ne peut pas se désintégrer en autre chose, donc l'hydrogène ne peut pas du tout se désintégrer.

Tout cela fonctionne jusqu'à ce que le proton se désintègre, ce qui, s'il peut arriver, est incroyablement rare - nous n'avons jamais vu un tel événement. Nous savons déjà avec certitude qu'il s'agit d'un événement si rare qu'au cours de votre vie, aucun proton ne se décomposera dans votre corps. Nous allons donc laisser tomber cette opportunité.

Il en va de même pour les atomes restants. Les atomes sont stables car l'énergie d'interaction des électrons et des noyaux atomiques est négative. La masse d'un atome est inférieure à la somme des masses de ses composants, de sorte que l'atome ne peut pas se désagréger en électrons et en noyau.

Un hic: un atome peut se désagréger différemment, à la suite de la désintégration nucléaire. Et si le proton ne peut pas se désintégrer (ou le fait extrêmement rarement), pour la plupart des noyaux, la situation est déjà complètement différente.

Et cela nous amène à des questions importantes.

• Pourquoi un neutron, lui-même instable, est-il stable dans un noyau atomique?
• Pourquoi certains noyaux atomiques sont-ils stables et d'autres non?
• Pourquoi un proton est-il stable, bien qu'il soit plus lourd que les quarks qu'il contient?