Energi yang mengikat semuanya

Dalam artikel saya tentang energi dan massa dan konsep terkait, saya fokus pada partikel - gangguan medan - dan persamaan dimana Einstein menghubungkan energi, momentum dan massa mereka. Tetapi energi muncul di tempat lain, bukan hanya karena partikel. Untuk benar-benar memahami Alam Semesta dan cara kerjanya, perlu dipahami bahwa energi dapat muncul karena interaksi berbagai bidang, atau bahkan karena interaksi dengan medan itu sendiri. Seluruh struktur dunia kita - proton, atom, molekul, tubuh, gunung, planet, bintang, galaksi - adalah hasil dari kehadiran jenis energi ini. Faktanya, banyak jenis energi yang kita bicarakan seolah-olah mereka berbeda satu sama lain - energi kimia, energi nuklir, energi elektromagnetik - adalah suatu bentuk energi interaksi atau entah bagaimana berkaitan dengannya.

Ketika siswa mulai diajarkan fisika, jenis energi ini termasuk apa yang oleh para guru disebut "energi potensial." Tetapi karena kata "potensial" dalam bahasa Inggris [dan Rusia] tidak berarti sama dengan dalam fisika, dan karena cara konsep ini disajikan sangat berbeda dari sudut pandang fisik modern, saya lebih suka menggunakan nama lain untuk energi ini - sehingga dia tidak menghubungi persepsi pembaca, benar atau salah.

Selain itu, dalam artikel tentang massa dan energi, saya menyebut energi interaksi "energi hubungan." Di bawah ini akan menjadi jelas mengapa - tetapi saya memutuskan bahwa itu adalah ide yang buruk, dan beralih ke konvensi penamaan yang lain.

Pembukaan: Revisi Konsep

Dari sudut pandang saat ini, disukai oleh fisikawan dan diverifikasi dalam percobaan, seluruh dunia terdiri dari bidang. Contoh bidang yang paling intuitif adalah angin:

• Dapat diukur di mana-mana,
• Bisa nol atau tidak nol,
• Gelombang (yang kita sebut suara) dapat melewatinya.

Gelombang dapat terbentuk di sebagian besar bidang, dan berkat mekanika kuantum, gelombang ini tidak bisa semena-mena kecil.

Gelombang dengan ketinggian sekecil mungkin - baik amplitudo terkecil dan kekuatan terkecil - disebut "kuantum", atau sering kali "partikel" - namun, opsi terakhir kadang-kadang menyebabkan kebingungan.

Foton adalah kuantum, atau partikel cahaya ("cahaya" di sini berarti bagian spektrum yang terlihat dan variasi lainnya). Ini adalah ledakan cahaya yang paling redup, gelombang yang paling tidak kuat dalam medan listrik dan magnet yang dapat diciptakan. Anda dapat membuat dua foton, tiga atau enam puluh dua. Anda tidak dapat membuat sepertiga dari satu atau dua setengah foton. Mata Anda dirancang untuk menyerap satu foton pada satu waktu.

Hal yang sama berlaku untuk elektron, muon, quark, partikel W, partikel Higgs, dan yang lainnya. Ini semua adalah kuanta dari bidang mereka.

Dalam hal ini, sebuah kuantum, meskipun akan menjadi gangguan bidang, berperilaku seperti partikel:

• Menjaga integritas saat bergerak di ruang kosong.
• Memiliki kepastian, meskipun tergantung pada pengamat, energi dan momentum.
• Memiliki massa tertentu yang tidak tergantung pada pengamat.
• Dapat dipancarkan atau diserap secara keseluruhan.

Izinkan saya mengingatkan Anda bahwa dalam fisika partikel, sudah lazim dipahami oleh massa apa yang sebelumnya disebut "massa diam", yang persamaannya E = mc ² dipenuhi hanya jika partikelnya diam. Untuk partikel yang bergerak, E> mc ² , karena energi massanya adalah mc ² , dan energi gerak selalu positif. Definisi ini harus diingat ketika membaca artikel ini.

Energi bidang yang berinteraksi

Sekarang mari kita beralih ke bentuk energi yang paling sulit dipahami. Energi partikel terdiri dari energi massa dan energi gerak. Ingatlah bahwa partikel adalah gangguan medan, yaitu gelombang yang terdefinisi dengan baik.


Fig. 1: sketsa tentang bagaimana keberadaan kuantum satu bidang (gelombang biru) menciptakan gangguan di bidang kedua (hijau), mencapai intensitas terbesar di sekitar gangguan dan menurun ke nol ketika bergerak menjauh.

Tetapi ladang mampu melakukan banyak hal, tidak hanya menghasilkan gangguan. Misalnya, gangguan di satu bidang dapat menyebabkan perubahan non-gelombang di bidang lain. Dalam gbr. 1 Saya menggambar kasus seperti itu - gelombang kuantum biru dari satu bidang dan respons dari bidang lain.

Misalkan kita memiliki dua partikel - biarlah gangguan dari dua bidang yang berbeda. Dalam gbr. 2 Aku menandainya dengan gelombang biru dan oranye. Kedua bidang ini berinteraksi dengan bidang hijau. Maka mengubah bidang hijau akan menjadi lebih sulit. Ini adalah sketsa, bukan refleksi tepat dari apa yang terlalu sulit untuk digambarkan, tetapi dia memberikan ide.

Apa energi dari sistem dua partikel ini - dua gangguan dari dua bidang yang berbeda dan bidang ketiga yang berinteraksi dengan keduanya?

Perturbasi adalah kuanta, atau partikel. Mereka memiliki massa dan energi gerak, dan kedua kuantitas ini positif.


Fig. 2

Mengubah ladang hijau juga memiliki semacam energi. Ini juga positif, meskipun seringkali sangat kecil dibandingkan dengan energi partikel. Ini sering disebut energi medan.

Namun dalam hubungan berbagai bidang ada energi tambahan. Energi adalah di mana bidang biru dan hijau kuat, dan juga di mana bidang oranye dan hijau kuat. Dan inilah keanehannya. Jika kita membandingkan ara. 1 dengan ara. 2, akan ada energi di kedua tempat di mana bidang biru dan hijau kuat. Tetapi kehadiran gangguan di bidang oranye di dekatnya mengubah bidang hijau, dan dengan demikian mengubah energi di wilayah di mana bidang biru berada, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3.


Fig. 3

Bergantung pada bagaimana medan oranye dan hijau berinteraksi satu sama lain, dan bagaimana medan biru dan hijau berinteraksi, perubahan energi bisa positif atau negatif. Saya akan menyebut ini mengubah energi interaksi.

Kemungkinan perubahan negatif dalam energi interaksi bidang biru dan hijau karena adanya gangguan oranye (dan sebaliknya) adalah kemungkinan bahwa energi interaksi akan negatif adalah fakta yang paling penting, karena yang memungkinkan semua struktur di alam semesta ada, dari inti atom hingga tubuh manusia. dan galaksi. Inilah yang dijelaskan di bawah ini.

Bumi dan bulan

Bumi, jelas, bukan partikel. Ini adalah seperangkat partikel besar, gangguan berbagai bidang. Tetapi semua hal di atas berlaku untuk banyak gangguan, dan bukan hanya satu, dan mereka semua berinteraksi dengan medan gravitasi.

Bayangkan bumi dengan sendirinya. Kehadirannya menciptakan gangguan di bidang gravitasi (yang, dari sudut pandang Einstein, adalah distorsi ruang dan waktu lokal, tetapi ini tidak penting bagi kami). Sekarang kita menempatkan dekat bulan. Itu juga mendistorsi medan gravitasi. Dan medan gravitasi di sekitar Bumi berubah karena kehadiran bulan. Rincian tentang bagaimana gravitasi berinteraksi dengan partikel dan medan yang membentuk Bumi memastikan bahwa energi negatif dari interaksi antara medan gravitasi dan Bumi muncul sebagai akibat dari pengaruh bulan. Kebalikannya juga benar.

Itulah sebabnya Bulan dan Bumi tidak bisa terbang terpisah dan tetap terjebak, terikat bersama-sama erat seolah-olah mereka dihubungkan oleh kabel raksasa. Jika Bulan sangat jauh dari Bumi, maka energi interaksi sistem - Bumi, Bulan dan medan gravitasi - akan menjadi nol, bukan negatif. Tetapi energi harus dilestarikan. Oleh karena itu, untuk memindahkan Bulan lebih jauh dari Bumi dibandingkan dengan lokasinya saat ini, perlu untuk mengambil sejumlah besar energi positif di suatu tempat - untuk meningkatkan energi interaksi negatif ke nol. Bulan dan Bumi memiliki energi gerak positif karena pergerakan dalam orbit, tetapi itu tidak cukup bagi mereka untuk menyebar.


Fig. 4: Analogi absolut dengan ara. 3

Dan selain menabrak planet lain dengan Bulan, tidak ada cara untuk mendapatkan energi sebesar itu, secara tidak sengaja atau sengaja, dari sumber terdekat. Kekuatan semua senjata yang dikumpulkan oleh manusia tidak cukup. Karena itu, Bulan tidak bisa tiba-tiba bergerak menjauh dari Bumi - ia ada di sini untuk waktu yang lama, sampai beberapa bencana yang mengesankan menjatuhkannya dari orbit.

Anda mungkin tahu bahwa teori tabrakan dua benda seukuran planet - proto-bumi besar dan benda seukuran Mars - dianggap sebagai teori paling populer tentang pembentukan Bumi dan Bulan. Teori ini menjelaskan banyak misteri kompleks yang terkait dengan bulan. Pada awal tata surya, tabrakan berenergi tinggi pasti terjadi pada skala planet, karena matahari dan planet-planet terbentuk lebih dari 4 miliar tahun yang lalu! Tapi bentrokan semacam itu belum ada sejak lama.

Logika yang sama menjelaskan mengapa satelit Bumi buatan tetap berada di orbit, mengapa Bumi melekat pada Matahari, dan Matahari ke Bima Sakti, kota tempat satu triliun bintang hidup.

Atom hidrogen

Pada skala yang lebih kecil dan dengan konsekuensi yang kurang jelas, elektron dan proton yang membentuk atom hidrogen tetap terhubung satu sama lain, kecuali jika energi datang dari luar untuk mengubah keadaan mereka. Dalam hal ini, pekerjaan utama dilakukan oleh medan listrik. Di hadapan elektron, energi interaksi antara medan listrik dan proton (dan sebaliknya) adalah negatif. Akibatnya, setelah Anda membentuk atom hidrogen dari elektron dan proton (dan menunggu sepersekian detik hingga mereka menetap pada konfigurasi yang diinginkan, keadaan dasar), jumlah energi yang diperlukan untuk memisahkannya adalah sekitar 14 eV. Kami menyebutnya energi pengikat hidrogen.


Fig. 5 ( tidak untuk skala! Elektron dan proton jauh lebih kecil). Di dalam atom hidrogen, gangguan elektron merambat dalam bentuk awan di sekitar proton. Energi interaksi, termasuk proton, elektron, dan medan elektron, -28 eV, sebagian dikompensasi (terutama karena energi gerak elektron) dan memberikan energi pengikatan -14 eV.

Kita dapat mengukur energi pengikat dengan menerangi atom hidrogen dengan sinar ultraviolet (foton dengan energi terlalu besar untuk dilihat oleh mata), dan dengan melihat seberapa besar energi foton harus untuk memecah atom hidrogen. Kita juga dapat menghitungnya menggunakan persamaan mekanika kuantum - dan prediksi sukses kuantitas ini adalah salah satu tes paling sederhana dari teori fisika kuantum modern.

Tetapi sekarang saya ingin kembali ke apa yang saya sebutkan di artikel tentang massa dan energi, ke salah satu ide kunci Einstein yang ia peroleh melalui bekerja dengan konsekuensi dari persamaannya. Jika Anda memiliki sistem objek, maka massa sistem tidak akan sama dengan jumlah massa benda yang terkandung di dalamnya. Bahkan tidak sebanding dengan jumlah energi dari partikel yang terkandung di dalamnya. Ini akan sama dengan energi total sistem dibagi dengan c ² dari sudut pandang pengamat saat istirahat relatif terhadap sistem ini. (Untuk pengamat yang bergerak, sistem juga akan memiliki energi gerak yang tidak menambah massa ke sistem). Total energi ini meliputi:

• Energi massa partikel (fluktuasi medan),
• Energi gerakan partikel,
• Sumber energi medan lain yang dihasilkan dari gangguan non-gelombang,
• Energi interaksi lapangan.

Apa yang kita pelajari dari fakta bahwa 14 eV diperlukan untuk menghancurkan atom hidrogen? Nah, setelah merusak sistem ini, Anda akan menemukan diri Anda dengan proton dan elektron di tangan Anda, jauh dari satu sama lain, dan tidak bergerak sangat cepat. Pada saat itu, energi sistem akan:

• Energi massa partikel = energi massa elektron + energi massa proton = 510 999 eV + 938 272 013 eV
• Energi partikel = 0
• Sumber energi medan lain yang dihasilkan dari gangguan non-gelombang = 0
• Energi interaksi lapangan = 0

Tetapi kita tahu bahwa sebelumnya sistem atom hidrogen memiliki energi 14 eV lebih sedikit.

Energi massa elektron selalu 510 999 eV, dan proton 938 272 013 eV, apa pun yang mereka lakukan. Oleh karena itu, kontribusi energi massa hidrogen terhadap energi total sama dengan kontribusi elektron dan proton yang diencerkan ke sisi-sisinya. Yang berikut harus diperoleh:

• Energi gerak partikel di dalam hidrogen,
• PLUS sumber energi medan lainnya dari gangguan non-gelombang (sangat kecil),
• Energi interaksi medan PLUS,
• Energi ikat -14 eV harus EQUAL.

Dan jika Anda melakukan semua perhitungan, angkanya kira-kira seperti ini:

• Energi partikel = +14 eV,
• sumber energi medan lain dari gangguan non-gelombang = sangat kecil,
• energi interaksi medan = -28 eV,

dan jumlah semua ini sama dengan -14 eV.

Fakta bahwa energi interaksi sama dengan -2 * energi gerak, tidak ada kecelakaan. Secara kasar, ini mengikuti hukum kuadrat terbalik untuk medan listrik. Secara khusus, ini mengikuti dari teorema virial .

Lalu, apakah massa dari atom hidrogen?

massa elektron + massa proton + energi pengikat / c ²

Dan karena energi pengikat negatif karena modulus besar dan energi interaksi negatif, ternyata

$$

$$m_ {hydrogen} <m_ {proton} + m_ {electron}$$

Ini adalah salah satu fakta terpenting dari alam semesta!

Mengapa atom hidrogen tidak membusuk

Sekarang saya akan memberi tahu Anda hal yang sama, tetapi dalam bahasa yang sedikit berbeda, bahasa fisika partikel.

Hidrogen adalah objek senyawa yang stabil, terdiri dari proton dan elektron, yang terhubung melalui interaksi dengan medan listrik.

Mengapa ini stabil?

Objek yang tidak stabil akan membusuk. Peluruhan hanya mungkin terjadi jika jumlah massa partikel di mana objek primer meluruh kurang dari massa objek awal. Ini mengikuti dari hukum kekekalan energi dan momentum .

Hal terkecil yang dapat diluruhkan oleh atom hidrogen adalah proton dan elektron. Tetapi massa atom hidrogen kurang (karena energi ikat 14 eV negatif) dari jumlah massa elektron dan proton. Sekali lagi, ini penting:

$$

$$m_ {hydrogen} <m_ {proton} + m_ {electron}$$

Tetapi hidrogen tidak dapat membusuk menjadi hal lain, oleh karena itu hidrogen tidak dapat membusuk sama sekali.

Semua ini bekerja sampai proton meluruh, yang, jika bisa terjadi, sangat jarang - kita belum pernah melihat kejadian seperti itu. Kita sudah tahu pasti bahwa ini adalah peristiwa langka yang selama hidup Anda tidak ada satu pun proton yang akan membusuk di tubuh Anda. Jadi kita akan membuang peluang ini.

Hal yang sama berlaku untuk atom yang tersisa. Atom stabil karena energi interaksi elektron dan inti atom negatif. Massa atom kurang dari jumlah massa komponennya, sehingga atom tidak dapat terurai menjadi elektron dan nukleus.

Satu tangkapan: atom dapat berantakan secara berbeda, sebagai akibat peluruhan nuklir. Dan jika proton tidak dapat membusuk (atau melakukannya sangat jarang), untuk sebagian besar inti situasinya sudah sangat berbeda.

Dan itu membawa kita ke masalah penting.

• Mengapa neutron, itu sendiri tidak stabil, stabil dalam inti atom?
• Mengapa beberapa inti atom stabil dan ada yang tidak?
• Mengapa proton stabil, meskipun lebih berat dari quark yang dikandungnya?