Что мы с вами знаем об энергии? Потенциальная, кинетическая, электрическая, тепловая... и ещё куча видов, но что есть сама по себе энергия? Это субстанция, это излучение, это материя? Этот вопрос я пытаюсь выяснить уже давно.
Мы привыкли говорить о том, что тела обладают энергией. Известное уравнение Е=mc2 говорит именно об этом. То есть энергия вроде как зависит от массы, поскольку скорость света с - величина постоянная.
Когда мы например, нагреваем тело - оно получает энергию. Когда оно остывает - оно её отдает в виде излучения или с помощью контакта с другими телами. Когда мы разгоняем протоны в коллайдере, мы добавляем им энергию с помощью электромагнетизма. Но если пучок протонов уже разогнан до 99,99% скорости света - добавление энергии не приводит к росту скорости и протоны... начинают наращивать массу. Да, массу, они становятся тяжелее. Кинетическая энергия пучка протонов в большом адронном коллайдере сопоставима с кинетической энергией Боинга-747, падающего на землю вертикально со скоростью 900км/ч. А изначально разгоняемый пучок протонов умещается в маленьком сосуде и имеет массу... маленькую, в общем. Ни о чем.
Более того, исследования на коллайдерах показали, что сами протоны, и другие частицы, могут возникать казалось бы, из пустого пространства, и возникают. Но не из совсем пустого - вакуум обладает энергией, отличной от нуля. Да, энергия не только плотно упаковывается в частицы, но и присутствует в вакууме, что как бы намекает нам о том, что мы живём в мире полей, а не частиц. И именно эта энергия может рождать частицы, а не наоборот. Это та же самая энергия, которая нагревает тела, та же самая энергия, что добавляет массу и увеличивает скорость. Так что же это вообще такое - энергия?!
Оказывается, мы этим словом называем то, что понимаем меньше всего. Раньше было понимание того, что всё состоит из неких мелких кирпичиков мироздания - атомов. Потом выяснили, что атомы это не самое мелкое, что есть во вселенной, а описание существования протона или электрона - это суть описание волны, которая как будто колеблется в неком объёме. Собственно, электрон больше напоминает по виду облако вокруг протона. Облако колебаний с отрицательным зарядом. А протон - это три кварка с 1/3 заряда, связанные глюонами - там суть тоже кругом сплошная волновая функция, если сильно упрощённо. Но - заряд ЧЕГО? Как может быть 1/3 заряда? Откуда этот заряд берётся? Почему так, а не иначе?
Эти вопросы волновали меня давно, и я перелопатил кучу информации и сейчас попытаюсь её перевести на обычный человеческий язык.
Наш мир - это не мир частиц и излучения. Это не мир протонов, электронов и атомов. Это скорее мир полей. Про магнитное поле вы в курсе, возможно понимаете и что такое электрическое поле. А кто не понимает - представьте себе море. Спокойное море в штиль - это как физическое поле, как вакуум. А частицы в нашем мире - это как волны, идущие по морю.
Только в море без ветра волна будет затухать из-за трения, а в физическом вакууме трения нет и поле может колебаться сколь угодно долго. Закольцованная волна в полях физического вакуума - это и есть элементарная частица, а от энергии и формы этой волны и от взаимодействия с полями - зависит какая именно это будет частица. Тут ещё много непонятного и просто не исследованного современной физикой, но в целом ясно: наш мир - это мир полей, флуктуации которых полей кажутся нам частицами. И эти частицы постоянно обмениваются энергией... А количество энергии при этом остаётся неизменным! Энергия никуда не девается и ниоткуда не возникает, она только переходит из одной формы в другую - например, энергия поля плотно упаковывается в стоячую закольцованную трёхмерную волну, которую мы воспринимаем как частицу. Частица может отдать часть своей энергии другой частице - но каким образом? Тут два способа - передать часть своей амплитуды колебаний, или испустить по ткани пространства волну (в виде фотона или нейтрино, например), лишившись при этом части энергии.
Получается энергия - это всего лишь некая числовая мера интенсивности колебания волн в физических полях. И измеряем мы энергию в джоулях или в электронвольтах, а что такое электронвольт? Это похоже на замер разности потенциалов в электротехнике, только в рамках некоторой части поля, в котором заперта стоячая волна на этом поле. Если по аналогии с морем и водой, стоячая волна - это как волны в бассейне, постоянно отражающиеся от стенок бассейна.
Почему поля вообще колеблются - это загадка, есть куча версий на эту тему и даже анимации флуктуаций физических полей, но ясно одно - эти флуктуации происходят в физических полях постоянно, мы именно это и наблюдаем. С другой стороны, почему бы им не колебаться? Их колебаниям ничто не мешает, трения на тех масштабах нет и быть не может, а сами колебания могут быть обусловлены неравномерностью самого поля - и намного вероятнее существование не статичного поля, чем равновесного.
Кстати, о равновесии. По аналогии с известным каждому тепловым равновесием - все тела, а возможно и физические поля стремятся занять состояния, похожие на равновесные - тела стремятся к тепловому равновесию - а в рамках волны это значит, что амплитуды всех волн смешаются и на ткани пространства будет однородная рябь - наподобие реликтового излучения, которое как бы намекает нам, что вселенная находилась в неком почти статичном и близком во всех отношениях к равновесному состоянии.
Наше существование вообще обусловлено наличием неравновесных состояний - как химических, так электрических и термодинамических, и процессы, происходящие в нашей вселенной, стремятся к минимально возможным энергетическим состояниям - максимально снизить температуру, максимально снизить заряд. В начальной горячей вселенной это было невозможно, но поскольку вселенная расширяется - поля или увеличиваются, или растягиваются, и в конечном счёте амплитуда их колебаний станет минимальной, почти ровной, почти плоской. Если к тому времени (10 в 139 степени земных лет) остался бы наблюдатель, он бы увидел пустой, холодный чёрный космос без материи (материя это плотно упакованная энергия, а в растянутой вселенной нет нужды так упаковываться), без света (фотоны будут возникать, но редко - флуктуации вакуума минимальны) и без разности потенциалов - все поля придут в минимально возможные энергетические состояния. Пока вселенная расширяется, и пока в ней достаточная плотность энергии - наше существование ещё принципиально возможно.
Физики же описывают энергию как набор числовых значений, присущих каждой отдельной области поля, а значения эти сильно похожи на разность потенциалов внутри поля, а это уже очень похоже на волну. А стоячая волна уже похожа на частицу. Как-то так.