Pergunte a Ethan: Existe energia limpa?

A aparência do bóson de Higgs em um detector solenóide compacto de múon no Large Hadron Collider. Essa colisão de alta energia ilustra todo o poder da conversão de energia que sempre existe na forma de partículas.

A energia desempenha um papel crucial não apenas em nossa vida cotidiana, cheia de tecnologia, mas também na física fundamental. A energia química armazenada na gasolina é convertida na energia cinética de nossos veículos, e a eletricidade das usinas é convertida em luz, calor e outras formas de energia em nossas casas. Mas essa energia parece existir na forma de uma propriedade de um sistema independente. Mas tudo tem que ser assim? Nosso leitor de Moscou faz uma pergunta sobre a própria energia:

Existe energia pura, talvez por pouco tempo antes de se transformar em partícula ou fóton? Ou é apenas uma abstração matemática conveniente, o equivalente que usamos na física?

Em um nível fundamental, a energia pode assumir várias formas.


Partículas conhecidas no modelo padrão. Essas são todas as partículas que descobrimos diretamente; com exceção de alguns bósons, todas as partículas têm massa.

A forma mais simples e famosa de energia é expressa através da massa. Normalmente, não discutimos em termos de E = mc ² de Einstein, mas todo objeto físico que já existiu no Universo consiste em partículas maciças e, simplesmente porque elas têm massa, essas partículas têm energia. Se essas partículas se moverem, elas terão energia adicional - cinética ou energia de movimento.


Transições eletrônicas em um átomo de hidrogênio, juntamente com os comprimentos de onda dos fótons resultantes, ilustração da energia de ligação

Finalmente, essas partículas podem se ligar de várias maneiras, formando estruturas mais complexas - núcleos, átomos, moléculas, células, organismos, planetas etc. Esse tipo de energia é conhecido como energia de ligação e, na verdade, é negativo. Reduz a massa restante de todo o sistema e, portanto, a fusão nuclear que ocorre nos núcleos das estrelas pode emitir tanta luz e calor: transformando a massa em energia pela mesma fórmula E = mc ² . Ao longo dos 4,5 bilhões de anos de história do Sol, ele perdeu a massa de Saturno simplesmente devido à síntese de hélio a partir do hidrogênio.


O sol gera energia sintetizando hélio a partir do hidrogênio no núcleo, perdendo uma pequena quantidade de massa no processo.

O sol fornece outro exemplo de energia: luz e calor vindo na forma de fótons que diferem das formas de energia que descrevemos. Também existem partículas sem massa - partículas sem energia de repouso - e essas partículas, fótons, glúons e gravitons hipotéticos, se movem à velocidade da luz. No entanto, eles transferem energia na forma de energia cinética e, no caso de glúons, são responsáveis ​​pela energia de ligação no interior de núcleos atômicos e prótons.


A teoria da liberdade assintótica , que descreve a força das interações dos quarks no núcleo, levou o Prêmio Nobel a Gross, Wilczek e Politzer.

A questão fundamental é se a energia pode existir independentemente de qualquer uma dessas partículas. Havia uma possibilidade tentadora de que exista separadamente na forma de gravidade: por muitas décadas observamos as órbitas das estrelas binárias de nêutrons - dois remanescentes de estrelas colapsadas orbitando uma à outra. Graças a medições da duração do pulso pulsar, quando uma das estrelas envia sinais regulares em nossa direção, conseguimos determinar que essas órbitas são reduzidas e se juntam em espiral. Com o aumento de sua energia de ligação, alguma forma de energia deve ser emitida. Poderíamos detectar efeitos de redução, mas não energia irradiada.


Para estrelas de nêutrons girando uma em torno da outra, a relatividade geral de Einstein prevê uma diminuição nas órbitas e a emissão de radiação gravitacional

A única maneira de explicar isso foi introduzindo algum tipo de radiação gravitacional: precisávamos de ondas gravitacionais para existir. A primeira fusão de buracos negros registrada pelo detector LIGO em 14 de setembro de 2015 deveria testar essa teoria. Nesse dia, registramos dois buracos negros em espiral juntos e ondas gravitacionais diretas emitidas por essa fusão. Os buracos negros originais tinham massas de 36 e 29 solares; o buraco final após a fusão teve uma massa de 62 solar.


Os parâmetros mais importantes para a fusão de buracos negros em 14 de setembro de 2015. Observe que durante a fusão, três massas solares foram perdidas - mas essa energia vive na forma de radiação gravitacional

As três massas solares ausentes foram emitidas na forma de ondas gravitacionais, e a força das ondas que capturamos coincidiu exatamente com a calculada necessária para economizar energia. O E = mc ^{2 de} Einstein e a transferência de energia na forma de partículas ou fenômenos físicos foram novamente confirmados.


Abordagem em espiral e fusão do primeiro par de buracos negros de todos os observados diretamente

A energia assume várias formas, e algumas são fundamentais. A massa restante de uma partícula não muda com o tempo, assim como não muda de partícula para partícula. Esse tipo de energia é inerente a tudo no universo. Todas as outras formas de energia existentes estão associadas a ela. Um átomo em um estado excitado carrega mais energia do que um átomo no estado fundamental - devido à diferença na energia de ligação. Se você deseja ir para um estado de energia mais baixo, precisa emitir um fóton; é impossível fazer essa transição sem economizar energia, e essa energia deve ser carregada por uma partícula - mesmo que não tenha massa.


Nesta imagem, um fóton (roxo) carrega um milhão de vezes mais energia que outro (amarelo). Os dados do Observatório Fermi para dois fótons de uma explosão de raios gama não mostram nenhum atraso no tempo de viagem, o que significa que a velocidade da luz é independente da energia

O fato estranho é que a energia do fóton, ou qualquer forma cinética de energia (energia do movimento), não é fundamental, mas depende do movimento do observador. Se você se mover em direção ao fóton, sua energia parecerá maior para você (o comprimento de onda mudará para a parte azul do espectro) e, se você se afastar, a energia será menor e parecerá deslocada para a parte vermelha do espectro. A energia é relativa, mas para qualquer observador é conservada. Independentemente das interações, a energia nunca existe por si só, mas apenas como parte de um sistema de partículas, massivas ou não.


A energia pode mudar de forma, até transformar da energia da massa em puramente cinética, mas sempre existe na forma de partículas

Existe um tipo de energia que provavelmente pode ficar sem partículas: energia escura. A forma de energia que faz com que o universo se expanda com aceleração pode vir a ser a energia inerente ao tecido do universo! Essa interpretação da energia escura é internamente consistente e coincide com observações de galáxias e quasares que estão distantes e distantes de nós. O único problema é que essa forma de energia não pode ser usada para criar ou destruir partículas e não pode ser convertida entre outras formas de energia. Parece ser uma entidade em si mesma, não relacionada a interações com outras formas de energia que existem no universo.


Sem energia escura, o universo não aceleraria. Mas não se pode alcançar essa energia através de outras partículas do universo.

Portanto, a resposta completa para a questão da existência de energia limpa será a seguinte:

• Para todas as partículas existentes, massivas e não, a energia é uma de suas propriedades e não pode existir separadamente.
• Para todas as situações em que parece que a energia é perdida no sistema, por exemplo, durante a extinção gravitacional, existe alguma forma de radiação que leva essa energia, preservando-a.
• A energia escura pode ser a forma mais pura de energia que existe, independentemente das partículas, mas, com exceção da expansão do Universo, essa energia é inacessível a qualquer outra coisa no Universo.

Até onde sabemos, energia não é algo que pode ser isolado em laboratório, mas uma das muitas propriedades importantes, a antimatéria e a radiação. Criando energia independente de partículas? Talvez o Universo esteja fazendo isso, mas até aprendermos a criar ou destruir o espaço-tempo, essas ações não funcionarão para nós.

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].