ईथन से पूछें: क्या स्वच्छ ऊर्जा जैसी कोई चीज है?

बड़े हेड्रोन कोलाइडर में एक कॉम्पैक्ट म्यूऑन सॉलॉइड डिटेक्टर पर हिग्स बोसोन की उपस्थिति। यह उच्च-ऊर्जा टक्कर ऊर्जा रूपांतरण की पूरी शक्ति को दर्शाती है जो हमेशा कणों के रूप में मौजूद रहती है।

ऊर्जा न केवल हमारे रोजमर्रा के जीवन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है, बल्कि तकनीक से भी भरपूर है। गैसोलीन में संग्रहीत रासायनिक ऊर्जा को हमारे वाहनों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, और बिजली संयंत्रों से मिलने वाली बिजली को हमारे घरों में प्रकाश, गर्मी और ऊर्जा के अन्य रूपों में परिवर्तित किया जाता है। लेकिन यह ऊर्जा एक स्वतंत्र प्रणाली की एक संपत्ति के रूप में मौजूद है। लेकिन क्या सब कुछ उसी तरह होना है? मास्को से हमारा पाठक खुद ऊर्जा के बारे में एक सवाल पूछता है:

क्या कण या फोटॉन में बदलने से पहले कुछ समय के लिए शुद्ध ऊर्जा है? या यह सिर्फ एक सुविधाजनक गणितीय अमूर्तता है, जो हम भौतिकी में उपयोग करते हैं?

मौलिक स्तर पर, ऊर्जा कई रूप ले सकती है।


स्टैंडर्ड मॉडल में ज्ञात कण। ये सभी कण हैं जिन्हें हमने सीधे खोजा था; कुछ बोसानों के अपवाद के साथ, सभी कणों में द्रव्यमान होता है।

ऊर्जा का सबसे सरल और सबसे प्रसिद्ध रूप द्रव्यमान के माध्यम से व्यक्त किया गया है। आमतौर पर हम आइंस्टीन के E = mc ² के संदर्भ में बहस नहीं करते हैं, लेकिन यूनिवर्स में मौजूद हर भौतिक वस्तु में बड़े पैमाने पर कण होते हैं, और सिर्फ इसलिए कि उनके पास द्रव्यमान होता है, इन कणों में ऊर्जा होती है। यदि ये कण चलते हैं, तो उनके पास अतिरिक्त ऊर्जा है - गतिज, या गति ऊर्जा।


हाइड्रोजन परमाणु में इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण, परिणामस्वरूप फोटॉनों की तरंग दैर्ध्य के साथ, बाध्यकारी ऊर्जा का चित्रण

अंत में, ये कण विभिन्न तरीकों से एक दूसरे से बंध सकते हैं, जिससे अधिक जटिल संरचनाएं बनती हैं - नाभिक, परमाणु, अणु, कोशिकाएं, जीव, ग्रह, आदि। इस तरह की ऊर्जा को बाध्यकारी ऊर्जा के रूप में जाना जाता है, और यह वास्तव में नकारात्मक है। यह पूरे सिस्टम के बाकी द्रव्यमान को कम करता है, और इसलिए सितारों के नाभिक में होने वाली परमाणु संलयन इतना प्रकाश और गर्मी का उत्सर्जन कर सकता है: द्रव्यमान को एक ही सूत्र ई = एमसी ^{2 के} माध्यम से ऊर्जा में बदल दिया। सूर्य के 4.5 बिलियन वर्ष के इतिहास में, हाइड्रोजन से हीलियम के संश्लेषण के कारण यह शनि के द्रव्यमान के बारे में खो गया है।


सूरज कोर में हाइड्रोजन से हीलियम को संश्लेषित करके ऊर्जा उत्पन्न करता है, इस प्रक्रिया में द्रव्यमान की थोड़ी मात्रा खो देता है।

सूरज ऊर्जा का एक और उदाहरण प्रदान करता है: प्रकाश और गर्मी फोटॉन के रूप में आते हैं जो हमारे द्वारा वर्णित ऊर्जा के रूपों से भिन्न होते हैं। बिना द्रव्यमान वाले कण भी होते हैं - बिना ऊर्जा के कण - और ये कण, फोटॉन, ग्लुआन और काल्पनिक गुरुत्वाकर्षण, प्रकाश की गति से चलते हैं। हालांकि, वे ऊर्जा को गतिज ऊर्जा के रूप में स्थानांतरित करते हैं, और ग्लून्स के मामले में, वे परमाणु नाभिक और प्रोटॉन के अंदर बाध्यकारी ऊर्जा के लिए जिम्मेदार हैं।


स्पर्शोन्मुख स्वतंत्रता का सिद्धांत, जो नाभिक में क्वार्क की परस्पर क्रिया की ताकत का वर्णन करता है, नोबेल पुरस्कार को सकल, विल्जेक, और पोलित्जर में लाया।

मूलभूत प्रश्न यह है कि क्या ऊर्जा इनमें से किसी भी कण से स्वतंत्र रूप से मौजूद हो सकती है। एक आकर्षक संभावना थी कि यह गुरुत्वाकर्षण के रूप में अलग-अलग मौजूद है: कई दशकों से हम बाइनरी न्यूट्रॉन सितारों की कक्षाओं का अवलोकन कर रहे हैं - ढह गए सितारों के दो अवशेष एक-दूसरे की परिक्रमा करते हैं। पल्सर पल्स अवधि की माप के लिए धन्यवाद, जब तारों में से एक हमारी तरफ से नियमित संकेत भेजता है, तो हम यह निर्धारित करने में सक्षम थे कि ये कक्षाएं कम हो रही हैं और एक सर्पिल में एक साथ आगे बढ़ रही हैं। उनकी बाध्यकारी ऊर्जा में वृद्धि के साथ, ऊर्जा का कुछ रूप उत्सर्जित किया जाना चाहिए। हम कमी के प्रभावों का पता लगा सकते हैं, लेकिन विकिरणित ऊर्जा का नहीं।


न्यूट्रॉन सितारों के एक दूसरे के चारों ओर घूमने के लिए, आइंस्टीन की सामान्य सापेक्षता कक्षाओं में कमी और गुरुत्वाकर्षण विकिरण के उत्सर्जन की भविष्यवाणी करती है

इसे समझाने का एकमात्र तरीका कुछ प्रकार के गुरुत्वाकर्षण विकिरण को शुरू करना था: हमें अस्तित्व के लिए गुरुत्वाकर्षण तरंगों की आवश्यकता थी। 14 सितंबर, 2015 को LIGO डिटेक्टर द्वारा दर्ज किया गया पहला ब्लैक होल फ्यूजन इस सिद्धांत का परीक्षण करने वाला था। उस दिन, हमने दो ब्लैक होल को एक साथ सर्पिल करते हुए रिकॉर्ड किया, और इस विलय से प्रत्यक्ष गुरुत्वाकर्षण तरंगें निकलीं। मूल ब्लैक होल में 36 और 29 सौर द्रव्यमान थे; विलय के बाद अंतिम छेद में 62 सौर का द्रव्यमान था।


14 सितंबर 2015 को ब्लैक होल के विलय के लिए सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर। ध्यान दें कि विलय के दौरान, तीन सौर द्रव्यमान खो गए थे - लेकिन यह ऊर्जा गुरुत्वाकर्षण विकिरण के रूप में रहती है

लापता तीन सौर द्रव्यमान को गुरुत्वीय तरंगों के रूप में उत्सर्जित किया गया था, और हमने जिन तरंगों को पकड़ा था, वे ऊर्जा को संरक्षित करने के लिए आवश्यक गणना के साथ बिल्कुल मेल खाती थीं। आइंस्टीन के E = mc ² और कणों या भौतिक घटनाओं के रूप में ऊर्जा हस्तांतरण फिर से पुष्टि की गई।


सर्पिल दृष्टिकोण और सीधे सभी मनाया से ब्लैक होल की पहली जोड़ी का संलयन

ऊर्जा विभिन्न रूप लेती है, और उनमें से कुछ मौलिक हैं। एक कण का बाकी द्रव्यमान समय के साथ नहीं बदलता है, जैसे यह कण से कण में नहीं बदलता है। ब्रह्मांड में इस प्रकार की ऊर्जा हर चीज में निहित है। ऊर्जा के अन्य सभी मौजूदा रूप इसके साथ जुड़े हुए हैं। एक उत्तेजित अवस्था में एक परमाणु जमीन की स्थिति में एक परमाणु की तुलना में अधिक ऊर्जा वहन करता है - बाध्यकारी ऊर्जा में अंतर के कारण। यदि आप ऊर्जा की निम्न स्थिति में जाना चाहते हैं, तो आपको एक फोटॉन उत्सर्जित करने की आवश्यकता है; ऊर्जा के संरक्षण के बिना इस संक्रमण को बनाना असंभव है, और इस ऊर्जा को एक कण द्वारा दूर किया जाना चाहिए - भले ही वह द्रव्यमान रहित हो।


इस छवि में, एक फोटॉन (बैंगनी) दूसरे (पीले) की तुलना में एक लाख गुना अधिक ऊर्जा वहन करता है। गामा-रे फट से दो फोटॉनों के लिए फ़र्मी वेधशाला डेटा यात्रा के समय में कोई देरी नहीं दिखाती है, जिसका अर्थ है कि प्रकाश की गति ऊर्जा से स्वतंत्र है

विचित्र तथ्य यह है कि फोटॉन ऊर्जा, या किसी भी गतिज ऊर्जा (गति की ऊर्जा) मौलिक नहीं है, लेकिन पर्यवेक्षक के आंदोलन पर निर्भर करता है। यदि आप फोटॉन की ओर बढ़ते हैं, तो इसकी ऊर्जा आपके लिए बड़ी होगी (स्पेक्ट्रम के नीले भाग में तरंग दैर्ध्य), और यदि आप इससे दूर जाते हैं, तो इसकी ऊर्जा कम होगी, और यह स्पेक्ट्रम के लाल भाग में स्थानांतरित हो जाएगी। ऊर्जा सापेक्ष है, लेकिन किसी भी पर्यवेक्षक के लिए यह संरक्षित है। अंतःक्रियाओं के बावजूद, ऊर्जा कभी भी अपने आप में मौजूद नहीं होती है, लेकिन केवल कणों की एक प्रणाली के रूप में, बड़े पैमाने पर या नहीं।


ऊर्जा रूपों को बदल सकती है, यहां तक ​​कि द्रव्यमान की ऊर्जा से विशुद्ध रूप से गतिज में परिवर्तित होती है, लेकिन हमेशा कणों के रूप में मौजूद रहती है

एक प्रकार की ऊर्जा है जो संभवतः कणों के बिना कर सकते हैं: अंधेरे ऊर्जा। ऊर्जा का वह रूप जो ब्रह्मांड को त्वरण के साथ विस्तार करने का कारण बनता है, ब्रह्मांड के कपड़े में निहित ऊर्जा को बदल सकता है! अंधेरे ऊर्जा की यह व्याख्या आंतरिक रूप से सुसंगत है और आकाशगंगाओं और क्वासरों की टिप्पणियों से मेल खाती है जो हमारे लिए दूर और दूर हैं। एकमात्र समस्या यह है कि ऊर्जा के इस रूप का उपयोग कणों को बनाने या नष्ट करने के लिए नहीं किया जा सकता है, और ऊर्जा के अन्य रूपों के बीच परिवर्तित नहीं किया जा सकता है। यह अपने आप में एक इकाई है, ऊर्जा के अन्य रूपों के साथ बातचीत से संबंधित नहीं है जो ब्रह्मांड में मौजूद हैं।


अंधेरे ऊर्जा के बिना, ब्रह्मांड में तेजी नहीं होगी। लेकिन कोई भी ब्रह्मांड के अन्य कणों के माध्यम से इस ऊर्जा तक नहीं पहुंच सकता है।

तो स्वच्छ ऊर्जा के अस्तित्व के सवाल का पूरा उत्तर यह होगा:

• सभी मौजूदा कणों के लिए, बड़े पैमाने पर और नहीं, ऊर्जा उनके गुणों में से एक है, और अलग से मौजूद नहीं हो सकती।
• उन सभी स्थितियों के लिए, जिनमें यह लगता है कि ऊर्जा प्रणाली में खो गई है, उदाहरण के लिए, गुरुत्वाकर्षण विलुप्त होने के दौरान, विकिरण का कुछ रूप है जो इस ऊर्जा को दूर ले जाता है, इसे संरक्षित करता है।
• डार्क एनर्जी ऊर्जा का शुद्धतम रूप हो सकता है, जो कणों की परवाह किए बिना मौजूद है, लेकिन, यूनिवर्स के विस्तार के अपवाद के साथ, यह ऊर्जा यूनिवर्स में किसी और चीज के लिए दुर्गम है।

जहां तक ​​हम जानते हैं, ऊर्जा ऐसी चीज नहीं है जिसे प्रयोगशाला में अलग किया जा सकता है, बल्कि एंटीमैटर और विकिरण के कई गुणों में से एक है। कण-स्वतंत्र ऊर्जा बनाना? शायद यूनिवर्स ऐसा कर रहा है, लेकिन जब तक हम यह नहीं सीखते कि स्पेस-टाइम कैसे बनाया या नष्ट किया जाए, तब तक ऐसी हरकतें हमारे काम नहीं आतीं।

एथन सीगल - खगोल वैज्ञानिक, विज्ञान लोकप्रिय, एक बैंग्स के साथ शुरुआत के लेखक! उन्होंने "बियॉन्ड द गैलेक्सी" [ बियॉन्ड द गैलेक्सी ], और "ट्रैकनोलॉजी: स्टार ट्रेक का विज्ञान" [ ट्रेकोनोलॉजी ] किताबें लिखीं ।