Tanyakan Ethan: Apakah ada yang namanya energi bersih?

Munculnya boson Higgs pada detektor solenoid muon kompak di Large Hadron Collider. Tabrakan berenergi tinggi ini menggambarkan kekuatan penuh konversi energi yang selalu ada dalam bentuk partikel.

Energi memainkan peran penting tidak hanya dalam kehidupan kita sehari-hari, penuh dengan teknologi, tetapi juga dalam fisika dasar. Energi kimia yang disimpan dalam bensin diubah menjadi energi kinetik kendaraan kita, dan listrik dari pembangkit listrik diubah menjadi cahaya, panas, dan bentuk energi lainnya di rumah kita. Tetapi energi ini tampaknya ada dalam bentuk satu properti dari sistem independen. Tetapi apakah semuanya harus seperti itu? Pembaca kami dari Moskow mengajukan pertanyaan tentang energi itu sendiri:

Adakah energi murni, mungkin beberapa saat sebelum berubah menjadi partikel atau foton? Atau itu hanya abstraksi matematis yang nyaman, yang setara yang kita gunakan dalam fisika?

Pada tingkat fundamental, energi dapat mengambil banyak bentuk.


Partikel yang dikenal dalam Model Standar. Ini semua adalah partikel yang kami temukan secara langsung; dengan pengecualian beberapa boson, semua partikel memiliki massa.

Bentuk energi paling sederhana dan paling terkenal diekspresikan melalui massa. Biasanya kita tidak berdebat dalam istilah Einstein E = mc ² , tetapi setiap objek fisik yang pernah ada di Semesta terdiri dari partikel masif, dan hanya karena mereka memiliki massa, partikel ini memiliki energi. Jika partikel-partikel ini bergerak, mereka memiliki energi tambahan - kinetik, atau energi gerak.


Transisi elektronik dalam atom hidrogen, bersama dengan panjang gelombang foton yang dihasilkan, ilustrasi energi pengikat

Akhirnya, partikel-partikel ini dapat saling mengikat dalam berbagai cara, membentuk struktur yang lebih kompleks - nuklei, atom, molekul, sel, organisme, planet, dll. Jenis energi ini dikenal sebagai energi pengikat, dan sebenarnya negatif. Ini mengurangi massa sisa seluruh sistem, dan karenanya fusi nuklir yang terjadi di inti bintang dapat memancarkan begitu banyak cahaya dan panas: mengubah massa menjadi energi melalui formula yang sama E = mc ² . Lebih dari 4,5 miliar tahun sejarah Matahari, ia telah kehilangan massa Saturnus hanya karena sintesis helium dari hidrogen.


Matahari menghasilkan energi dengan mensintesis helium dari hidrogen dalam inti, kehilangan sejumlah kecil massa dalam proses tersebut.

Matahari memberikan contoh energi lain: cahaya dan panas datang dalam bentuk foton yang berbeda dari bentuk energi yang telah kita gambarkan. Ada juga partikel tak bermassa - partikel tanpa energi istirahat - dan partikel-partikel ini, foton, gluon, dan gravitasi hipotetis, bergerak dengan kecepatan cahaya. Namun, mereka mentransfer energi dalam bentuk energi kinetik, dan, dalam kasus gluon, mereka bertanggung jawab atas energi ikat di dalam inti atom dan proton.


Teori kebebasan asimptotik , yang menggambarkan kekuatan interaksi quark di dalam nukleus, membawa Hadiah Nobel ke Gross, Wilczek, dan Politzer.

Pertanyaan mendasarnya adalah apakah energi dapat eksis secara independen dari partikel-partikel ini. Ada kemungkinan menggoda bahwa ia ada secara terpisah dalam bentuk gravitasi: selama beberapa dekade kami telah mengamati orbit bintang neutron biner - dua sisa bintang yang runtuh yang mengorbit satu sama lain. Berkat pengukuran durasi pulsa pulsar, ketika salah satu bintang mengirimkan sinyal reguler ke sisi kami, kami dapat menentukan bahwa orbit ini berkurang dan bergerak bersama dalam spiral. Dengan peningkatan energi ikat mereka, beberapa bentuk energi harus dipancarkan. Kita bisa mendeteksi efek reduksi, tetapi bukan energi yang terpancar.


Untuk bintang-bintang neutron yang saling berotasi, relativitas umum Einstein memprediksi penurunan orbit dan emisi radiasi gravitasi.

Satu-satunya cara untuk menjelaskan hal ini adalah dengan memperkenalkan beberapa jenis radiasi gravitasi: kami membutuhkan gelombang gravitasi untuk eksis. Fusi lubang hitam pertama yang direkam oleh detektor LIGO pada 14 September 2015, seharusnya menguji teori ini. Pada hari itu, kami merekam dua lubang hitam yang berputar bersama, dan gelombang gravitasi langsung dipancarkan oleh merger ini. Lubang hitam asli memiliki massa 36 dan 29 matahari; lubang terakhir setelah merger memiliki massa 62 matahari.


Parameter paling penting untuk penggabungan lubang hitam 14 September 2015. Perhatikan bahwa selama merger, tiga massa matahari hilang - tetapi energi ini hidup dalam bentuk radiasi gravitasi

Tiga massa matahari yang hilang dipancarkan dalam bentuk gelombang gravitasi, dan kekuatan gelombang yang kami tangkap persis bertepatan dengan perhitungan yang diperlukan untuk menghemat energi. Einstein E = mc ² dan transfer energi dalam bentuk partikel atau fenomena fisik kembali dikonfirmasi.


Pendekatan spiral dan fusi pasangan lubang hitam pertama dari semua diamati secara langsung

Energi memiliki berbagai bentuk, dan beberapa di antaranya sangat mendasar. Massa sisa suatu partikel tidak berubah seiring waktu, sama seperti ia tidak berubah dari satu partikel ke partikel lainnya. Jenis energi ini melekat dalam segala hal di Semesta. Semua bentuk energi lain yang ada dikaitkan dengan energi itu. Atom dalam keadaan tereksitasi membawa lebih banyak energi daripada atom di keadaan dasar - karena perbedaan dalam energi pengikat. Jika Anda ingin pergi ke tingkat energi yang lebih rendah, Anda perlu memancarkan foton; tidak mungkin untuk melakukan transisi ini tanpa menghemat energi, dan energi ini harus terbawa oleh partikel - bahkan jika itu tanpa massa.


Dalam gambar ini, satu foton (ungu) membawa satu juta kali lebih banyak energi daripada yang lain (kuning). Data Fermi Observatory untuk dua foton dari semburan sinar gamma tidak menunjukkan penundaan waktu perjalanan, yang berarti bahwa kecepatan cahaya tidak tergantung pada energi

Fakta aneh adalah bahwa energi foton, atau segala bentuk energi kinetik (energi gerak) tidak mendasar, tetapi tergantung pada pergerakan pengamat. Jika Anda bergerak ke arah foton, energinya akan tampak lebih besar untuk Anda (panjang gelombang bergeser ke bagian biru spektrum), dan jika Anda menjauh darinya, energinya akan lebih sedikit, dan ia akan tampak bergeser ke bagian merah spektrum. Energi itu relatif, tetapi bagi setiap pengamat energi itu dilestarikan. Terlepas dari interaksi, energi tidak pernah ada dengan sendirinya, tetapi hanya sebagai bagian dari sistem partikel, masif atau tidak.


Energi dapat mengubah bentuk, bahkan berubah dari energi massa menjadi kinetik murni, tetapi selalu ada dalam bentuk partikel

Ada satu jenis energi yang mungkin dapat dilakukan tanpa partikel: energi gelap. Bentuk energi yang menyebabkan alam semesta mengembang dengan percepatan dapat berubah menjadi energi yang melekat dalam jalinan alam semesta! Interpretasi energi gelap ini konsisten secara internal dan bertepatan dengan pengamatan galaksi dan quasar yang jauh dan jauh dari kita. Satu-satunya masalah adalah bahwa bentuk energi ini tidak dapat digunakan untuk membuat atau menghancurkan partikel, dan tidak dapat dikonversi antara bentuk energi lainnya. Tampaknya menjadi entitas dalam dirinya sendiri, tidak terkait dengan interaksi dengan bentuk energi lain yang ada di alam semesta.


Tanpa energi gelap, alam semesta tidak akan berakselerasi. Tetapi seseorang tidak dapat mencapai energi ini melalui partikel-partikel lain dari Semesta.

Jadi jawaban penuh untuk pertanyaan tentang keberadaan energi bersih adalah sebagai berikut:

• Untuk semua partikel yang ada, besar dan tidak, energi adalah salah satu sifatnya, dan tidak dapat eksis secara terpisah.
• Untuk semua situasi di mana energi tampaknya hilang dalam sistem, misalnya, selama kepunahan gravitasi, ada beberapa bentuk radiasi yang membawa energi ini pergi, melestarikannya.
• Energi gelap mungkin merupakan bentuk energi paling murni yang ada terlepas dari partikel, tetapi, dengan pengecualian ekspansi Semesta, energi ini tidak dapat diakses oleh apa pun di Semesta.

Sejauh yang kita ketahui, energi bukanlah sesuatu yang dapat diisolasi di laboratorium, tetapi salah satu dari banyak sifat yang penting, yang dimiliki antimateri dan radiasi. Menciptakan energi bebas partikel? Mungkin Alam Semesta melakukan ini, tetapi sampai kita belajar cara membuat atau menghancurkan ruang-waktu, tindakan semacam itu tidak berhasil bagi kita.

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].