A energia que une tudo

No meu artigo sobre energia e massa e conceitos relacionados, concentrei-me nas partículas - distúrbios de campo - e nas equações pelas quais Einstein vinculava sua energia, momento e massa. Mas a energia surge em outros lugares, não apenas devido a partículas. Para entender verdadeiramente o Universo e como ele funciona, é necessário entender que a energia pode aparecer devido à interação de vários campos, ou mesmo devido à interação com o próprio campo. Toda a estrutura do nosso mundo - prótons, átomos, moléculas, corpos, montanhas, planetas, estrelas, galáxias - é o resultado da presença desse tipo de energia. De fato, muitos tipos de energia sobre os quais falamos como se fossem diferentes - energia química, energia nuclear, energia eletromagnética - são uma forma de energia de interação ou de alguma forma estão relacionados a ela.

Quando os alunos começam a aprender física, esse tipo de energia inclui o que os professores chamam de "energia potencial". Mas como a palavra “potencial” nos idiomas inglês [e russo] não significa o mesmo que na física, e como a maneira como esse conceito é apresentado é muito diferente do ponto de vista físico moderno, prefiro usar outro nome para essa energia - para que ela não entre em contato com as percepções do leitor, certas ou erradas.

Além disso, em um artigo sobre massa e energia, chamei a energia da interação de "a energia dos relacionamentos". Abaixo, ficará claro o porquê - mas decidi que era uma má ideia e mudei para outra convenção de nomenclatura.

Preâmbulo: Revisão de Conceitos

Do ponto de vista atual, preferido pelos físicos e verificado em experimentos, o mundo inteiro consiste em campos. O exemplo mais intuitivo de um campo é o vento:

• Pode ser medido em qualquer lugar,
• Pode ser zero ou diferente de zero,
• Ondas (que chamamos de som) podem passar por ele.

As ondas podem se formar na maioria dos campos e, graças à mecânica quântica, essas ondas não podem ser arbitrariamente pequenas em altura.

A onda da menor altura possível - a menor amplitude e a menor potência - é chamada de "quantum", ou freqüentemente "partícula" - no entanto, a última opção às vezes leva à confusão.

Um fóton é um quantum, ou uma partícula de luz ("luz" aqui significa a parte visível do espectro e outras variações). É a mais fraca explosão de luz possível, a onda menos poderosa em um campo elétrico e magnético que pode ser criada. Você pode criar dois fótons, três ou sessenta e dois. Você não pode criar um terço de um fóton ou dois e meio. Seus olhos são projetados para absorver um fóton de cada vez.

O mesmo se aplica a elétrons, múons, quarks, partículas W, uma partícula de Higgs e tudo mais. Todos esses são quanta de seus campos.

Nesse caso, um quantum, embora seja uma perturbação do campo, se comporta como uma partícula:

• Mantém a integridade ao se mover no espaço vazio.
• Tem certo, embora dependente do observador, energia e momento.
• Tem uma certa massa independente do observador.
• Pode ser irradiado ou absorvido como um todo.

Deixe-me lembrá-lo que, na física de partículas, é habitual entender em massa o que anteriormente era chamado de "massa em repouso", para a qual a equação E = mc ² é satisfeita apenas se a partícula estiver em repouso. Para uma partícula em movimento, E> mc ² , uma vez que a energia de sua massa é mc ² , e a energia do movimento é sempre positiva. Essa definição deve ser lembrada ao ler este artigo.

A energia dos campos em interação

Agora vamos passar para a forma mais evasiva de energia. A energia das partículas consiste na energia da massa e na energia do movimento. Lembre-se de que uma partícula é uma perturbação do campo, ou seja, uma onda bem definida.


Fig. 1: um esboço de como a presença de um quantum de um campo (onda azul) cria uma perturbação no segundo campo (verde), atingindo a maior intensidade em torno da perturbação e diminuindo para zero ao se afastar.

Mas os campos são capazes de fazer muitas coisas, não apenas gerando distúrbios. Por exemplo, uma perturbação em um campo pode causar uma alteração sem onda em outro campo. Na fig. 1 Eu desenhei esse caso - uma onda quântica azul de um campo e a resposta de outro campo.

Suponha que tenhamos duas partículas - sejam perturbações de dois campos diferentes. Na fig. 2 Marquei-os com ondas azuis e laranja. Ambos os campos interagem com o campo verde. Mudar o campo verde se tornará mais difícil. Este é um esboço, não um reflexo exato do que é muito difícil de descrever, mas ele dá uma idéia.

Qual é a energia desse sistema de duas partículas - duas perturbações de dois campos diferentes e um terceiro campo interagindo com os dois?

Perturbações são quanta ou partículas. Eles têm massa e energia de movimento, e essas duas quantidades são positivas.


Fig. 2

Mudar o campo verde também tem algum tipo de energia. Também é positivo, embora geralmente muito pequeno comparado à energia das partículas. É freqüentemente chamado de energia de campo.

Mas nas relações dos vários campos há energia adicional. Energia é onde os campos azul e verde são fortes, e também onde os campos laranja e verde são fortes. E aqui está a estranheza. Se compararmos a fig. 1 com a fig. 2, haverá energia nos locais onde os campos azul e verde são fortes. Mas a presença de distúrbios no campo laranja próximo altera o campo verde e, portanto, altera a energia na região onde o campo azul está localizado, como mostra a Fig. 3)


Fig. 3

Dependendo de como os campos laranja e verde interagem, e como os campos azul e verde interagem, a mudança na energia pode ser positiva ou negativa. Vou chamar isso de mudança de energia da interação.

A possibilidade de uma mudança negativa na energia de interação dos campos azul e verde devido à presença de um distúrbio laranja (e vice-versa) é a possibilidade de que a energia de interação seja negativa é o fato mais importante, pelo que se torna possível a existência de todas as estruturas do Universo, de núcleos atômicos a corpos humanos e galáxias. Isto é o que é descrito abaixo.

Terra e lua

Terra, obviamente, não é uma partícula. Este é um enorme conjunto de partículas, distúrbios de vários campos. Mas tudo isso se aplica a muitas perturbações, e não apenas uma, e todas elas interagem com os campos gravitacionais.

Imagine a Terra por conta própria. Sua presença cria uma perturbação no campo gravitacional (que, do ponto de vista de Einstein, é uma distorção do espaço e do tempo local, mas isso não é crítico para nós). Agora colocamos perto da lua. Também distorce o campo gravitacional. E o campo gravitacional ao redor da Terra está mudando devido à presença da lua. Os detalhes de como a gravidade interage com as partículas e os campos que compõem a Terra garantem que a energia negativa da interação entre o campo gravitacional e a Terra apareça como resultado da influência da lua. O inverso também é verdadeiro.

É por isso que a Lua e a Terra não podem se separar e permanecer presas, amarradas tão firmemente como se estivessem conectadas por um cabo gigante. Se a Lua estivesse muito longe da Terra, a energia de interação do sistema - a Terra, a Lua e o campo gravitacional - seria zero, não negativo. Mas a energia deve ser conservada. Portanto, para mover a Lua para mais longe da Terra em comparação com a sua localização atual, é necessário levar uma quantidade enorme de energia positiva em algum lugar - para aumentar a energia de interação negativa para zero. A Lua e a Terra têm uma energia positiva de movimento devido ao movimento em órbitas, mas não é suficiente para elas se dispersarem.


Fig. 4: A analogia absoluta com a fig. 3

Além de colidir outro planeta com a Lua, não há como obter uma energia tão grande, acidental ou intencionalmente, de fontes próximas. O poder de todas as armas acumuladas pela humanidade não é suficiente. Portanto, a Lua não pode se afastar repentinamente da Terra - ela está aqui por um longo tempo, até que uma catástrofe impressionante a tire da órbita.

Você deve saber que a teoria da colisão de dois objetos do tamanho de um planeta - a grande proto-terra e um objeto do tamanho de Marte - é considerada a teoria mais popular da formação da Terra e da Lua. Essa teoria explica os muitos mistérios complexos associados à lua. No início do sistema solar, colisões de alta energia definitivamente ocorreram em escalas planetárias, desde que o sol e os planetas se formaram há mais de 4 bilhões de anos atrás! Mas esses confrontos não existem há muito tempo.

A mesma lógica explica por que os satélites artificiais da Terra permanecem em órbita, por que a Terra está ligada ao Sol e o Sol à Via Láctea, a cidade onde vivem um trilhão de estrelas.

Átomo de hidrogênio

Em uma escala menor e com consequências menos óbvias, o elétron e o próton que formam o átomo de hidrogênio permanecem conectados, a menos que a energia venha de fora para mudar seu estado. Nesse caso, o principal trabalho é realizado pelo campo elétrico. Na presença de um elétron, a energia de interação entre o campo elétrico e o próton (e vice-versa) é negativa. Como resultado, depois que você formou um átomo de hidrogênio a partir de um elétron e um próton (e esperou uma pequena fração de segundo até que se estabelecessem em sua configuração preferida, estado fundamental), a quantidade de energia necessária para separá-los seria de cerca de 14 eV. Chamamos isso de energia de ligação ao hidrogênio.


Fig. 5 ( sem escala! O elétron e o próton são muito menores). Dentro do átomo de hidrogênio, a perturbação do elétron se propaga na forma de uma nuvem ao redor de um próton. A energia de interação, incluindo o próton, o elétron e o campo de elétrons, é de -28 eV, é parcialmente compensada (principalmente devido à energia de movimento do elétron) e fornece uma energia de ligação de -14 eV.

Podemos medir a energia de ligação iluminando os átomos de hidrogênio com luz ultravioleta (fótons com energia muito grande para ser vista pelo olho) e observando o quão grande a energia do fóton deve ser para romper o átomo de hidrogênio. Também podemos calculá-lo usando as equações da mecânica quântica - e uma previsão bem-sucedida dessa quantidade é um dos testes mais simples da teoria moderna da física quântica.

Mas agora quero voltar ao que mencionei no artigo sobre massa e energia, para uma das principais idéias de Einstein que ele adquiriu ao trabalhar com as consequências de suas equações. Se você tiver um sistema de objetos, a massa do sistema não será igual à soma das massas dos objetos contidos nele. Nem sequer é proporcional à soma das energias das partículas nele contidas. Será igual à energia total do sistema dividida por c ² do ponto de vista do observador em repouso em relação a esse sistema. (Para um observador em movimento, o sistema também terá energia de movimento que não adiciona massa ao sistema). Essa energia total inclui:

• A energia da massa de partículas (flutuações de campo),
• Energias de movimento de partículas,
• Outras fontes de energia de campo resultantes de distúrbios sem onda,
• Energias de interação no campo.

O que aprendemos com o fato de que 14 eV são necessários para destruir um átomo de hidrogênio? Bem, ao quebrar esse sistema, você se encontrará com um próton e um elétron em suas mãos, distantes um do outro, e não se movendo especialmente rápido. Nesse momento, a energia do sistema será:

• Energias de massa de partículas = energia de massa de elétrons + energia de massa de prótons = 510 999 eV + 938 272 013 eV
• Energia de partículas = 0
• Outras fontes de energia de campo resultantes de distúrbios sem onda = 0
• Energias de interação no campo = 0

Mas sabemos que antes disso o sistema de átomos de hidrogênio tinha uma energia de 14 eV a menos.

A energia da massa de elétrons é sempre 510 999 eV e o próton 938 272 013 eV, independentemente do que eles fazem. Portanto, a contribuição da energia da massa de hidrogênio para a energia total é a mesma que a do elétron e próton diluído para os lados. O seguinte deve ser obtido:

• A energia do movimento das partículas dentro do hidrogênio,
• MAIS outras fontes de energia de campo devido a distúrbios sem onda (extremamente pequenos),
• MAIS energia de interação em campo,
• As energias de ligação -14 eV devem ser IGUAIS.

E se você realizar todos os cálculos, os números são mais ou menos assim:

• Energia de partículas = +14 eV,
• outras fontes de energia de campo causadas por distúrbios sem onda = extremamente pequenos,
• energia de interação no campo = -28 eV,

e a soma de tudo isso é igual a -14 eV.

O fato de a energia de interação ser igual a -2 * a energia do movimento, não há acidente. Grosso modo, isso decorre da lei dos quadrados inversos para campos elétricos. Especificamente, isso decorre do teorema do virial .

Qual é, então, a massa do átomo de hidrogênio?

massa de elétrons + massa de prótons + energia de ligação / c ²

E como a energia de ligação é negativa devido ao grande módulo e energia de interação negativa, verifica-se

$$

$$m_ {hidrogênio} <m_ {próton} + m_ {elétron}$$

Este é um dos fatos mais importantes do universo!

Por que um átomo de hidrogênio não se decompõe

Agora vou lhe dizer a mesma coisa, mas em uma linguagem um pouco diferente, a linguagem da física de partículas.

O hidrogênio é um objeto composto estável, constituído por um próton e um elétron, conectados através da interação com um campo elétrico.

Por que é estável?

Qualquer objeto instável se deteriorará. A deterioração é possível apenas se a soma das massas de partículas nas quais o objeto primário decai for menor que a massa do objeto inicial. Isso decorre das leis de conservação de energia e momento .

As menores coisas em que um átomo de hidrogênio pode decair são um próton e um elétron. Mas a massa do átomo de hidrogênio é menor (devido à energia de ligação negativa de 14 eV) da soma das massas do elétron e do próton. Mais uma vez, isso é importante:

$$

$$m_ {hidrogênio} <m_ {próton} + m_ {elétron}$$

Mas o hidrogênio não pode decair em mais nada; portanto, o hidrogênio não pode decair.

Tudo isso funciona até que o próton decaia, o que, se puder acontecer, é incrivelmente raro - nunca vimos esse evento. Já sabemos com certeza que esse é um evento tão raro que, durante a sua vida, nenhum próton se deteriora em seu corpo. Então vamos largar esta oportunidade.

O mesmo vale para os átomos restantes. Os átomos são estáveis ​​porque a energia de interação dos elétrons e núcleos atômicos é negativa. A massa de um átomo é menor que a soma das massas de seus componentes; portanto, o átomo não pode se desfazer nos elétrons e no núcleo.

Um problema: um átomo pode desmoronar de maneira diferente, como resultado de decaimento nuclear. E se o próton não pode decair (ou o faz raramente), para a maioria dos núcleos a situação já é completamente diferente.

E isso nos leva a questões importantes.

• Por que um nêutron, ele próprio instável, estável em um núcleo atômico?
• Por que alguns núcleos atômicos são estáveis ​​e outros não?
• Por que um próton é estável, apesar de ser mais pesado que os quarks que ele contém?