Энергия — это не только одно из ключевых понятий в физике, но и фундаментальное понятие во всех областях науки. Её можно описать как способность выполнять работу или приводить в движение объекты. Виды энергии разнообразны и многочисленны, включая потенциальную, кинетическую, тепловую, электрическую, химическую и ядерную энергии. Попробуем разобраться в этом многообразии и разглядеть подробнее, что такое кинетическая и потенциальная энергия.
Когда мы видим что-то движущееся, например, мчащийся автомобиль, мы становимся свидетелями кинетической энергии в действии. Эта энергия связана с движением объекта. Кинетическая энергия может проявляться в разнообразных формах, включая поступательное движение (например, движение автомобиля вперёд), вращательное движение (вращение колёс) или вибрацию (вибрация автомобильного двигателя). Первый вид кинетической энергии, с которым обычно знакомятся, — это поступательная энергия, или, проще говоря, энергия движения вперёд.
Представьте себе объект массой "m", который движется со скоростью "v". Поступательная кинетическая энергия этого объекта может быть вычислена по формуле 1/2 mv². Мы планируем подробно рассмотреть эту формулу в одной из будущих статей.
Но не только движение может создавать энергию. Потенциальная энергия – это энергия, которая "хранится" в объекте. Например, когда мы растягиваем пружину или поднимаем объект вверх, противостоя действию гравитации, мы "запасаем" в объекте потенциальную энергию. Если мы отпустим поднятый объект, его потенциальная энергия начнёт превращаться в кинетическую, и он начнёт двигаться. Гравитационная потенциальная энергия зависит от высоты поднятия объекта и его массы: чем выше мы поднимем объект и чем тяжелее он, тем больше у него будет потенциальной энергии, и, соответственно, тем быстрее он будет двигаться при падении.
Таким образом, мир вокруг нас полон энергии в различных формах, и наука старается понять и описать все эти формы, чтобы использовать их в нашу пользу.
Интересный факт: несмотря на то, что мы привыкли ассоциировать понятие энергии с научными теориями Исаака Ньютона, на самом деле, эта концепция была предложена его современником Готфридом Вильгельмом Лейбницем, который ввёл в оборот концепцию, близкую к тому, что мы теперь зовём энергией. Ньютон же в своих теориях больше фокусировался на таком понятии, как импульс, который равен произведению массы на скорость.
Ньютон считал, что ключевой величиной для описания движения является произведение массы на квадрат скорости. Однако обе точки зрения, и Ньютона, и Лейбница, имели в основном философский характер. И чтобы разрешить этот спор, потребовалась вмешательство французской интеллектуалки Эмили дю Шатле. Эмили провела эксперименты, бросая стальные шарики в мягкую глину, и обнаружила, что глубина, на которую шарики погружались, зависела от высоты, с которой их бросали, и квадрата скорости их удара о глину.
Также Эмили дю Шатле предложила концепцию сохранения энергии и вывела формулу потенциальной гравитационной энергии. Некоторые считают, что именно в её время началась цениться и формализовываться концепция энергии.
Однако идея энергии формировалась на протяжении десятилетий, к её разработке приложили руку такие знаменитые физики, как Сади Карно, Джеймс Джоуль, Даниель Бернулли, Людвиг Больцман, Джеймс Клерк Максвелл и многие другие. В наши дни мы можем рассматривать кинетическую энергию как энергию движущихся объектов – например, тех, которые вращаются или вибрируют.
А потенциальную энергию можно рассматривать как энергию объекта, перемещающегося против силы. Примерами могут служить электрическое поле и заряд или гравитационное поле и масса. Если отпустить объект в таких условиях, он начнет двигаться, и его потенциальная энергия превратится в кинетическую.
Энергия важна, но первоначально было не совсем ясно, почему. Немецкий математик Эмми Нётер раскрыла глубокую связь между симметрией законов природы и законами сохранения. Если фундаментальные законы природы не изменяются со временем, то энергия сохраняется. Эмми Нётер также показала, что если законы природы не меняются в зависимости от местоположения, то сохраняется импульс. Более подробно о работе Эмми Нётер и её вкладе в науку ма напишем отдельную статью.
Теперь укрепим в памяти определение энергии. Кинетическая энергия - это энергия движущегося объекта, а потенциальная энергия - это энергия, которой объект обладает благодаря своему положению в поле силы. Важно также понимать, что энергия сохраняется.
Мы говорили о массивных объектах, но не только они могут обладать энергией. Безмассовые фотоны также переносят энергию, а движущиеся поля - это ещё один пример объектов с энергией. Альберт Эйнштейн показал, что масса и энергия эквивалентны и могут преобразовываться друг в друга, что добавляет ещё один уровень сложности в понимание энергии в нашем мире.
В классической физике масса и энергия кажутся совершенно различными величинами. Возьмем, к примеру, массивный объект в космосе, который не движется относительно других тел и находится далеко от всех гравитационных полей. Такой объект, согласно классической физике, не обладает ни кинетической, ни потенциальной энергией, но у него есть масса. Тут возникает несоответствие, ведь согласно теории относительности Эйнштейна, масса — это форма энергии. Это несоответствие разрешается, когда мы глубже погружаемся в природу массы и обнаруживаем, что большая часть массы протонов и нейтронов происходит от энергии движения и сил внутри ядра атома.
Фактически, ядра атомов представляют собой крошечные вихри из движущихся частиц, которые удерживаются вместе благодаря сильным ядерным силам. И если мы будем рассматривать массу как форму вращающейся энергии, то снова вернемся к понятиям кинетической и потенциальной энергии. Хотя представление массы в виде вращающегося объекта не дает исчерпывающего описания явления, это отличное приближение, которое помогает нам лучше понять, что такое энергия.
Таким образом, энергия – это движение и взаимодействующие силы, и она сохраняется, преобразуясь из одной формы в другую. Эта связь между массой и энергией стала ключевой для развития современной физики и помогла нам глубже понять структуру Вселенной.
Процесс преобразования энергии во Вселенной можно сравнить с циклическим превращением материи, например, когда грязь превращается в траву, трава - в зебру, зебра - во льва, а лев после смерти становится пылью, и цикл замыкается. Но в этой картине мира есть свой неожиданный поворот.
Хотя на основе теории Эмми Нётер мы привыкли считать энергию сохраняемой величиной из-за симметрии законов природы, на самом деле, в масштабах всей Вселенной это не так. Согласно современной космологии, Вселенная наполнена полем с постоянной энергетической плотностью, известной как темная энергия. Из-за того что Вселенная расширяется, общее количество темной энергии увеличивается.
Кроме того, расширение Вселенной приводит к красному смещению света от далеких галактик. Это означает, что свет этих галактик кажется краснее, чем он был на самом деле в момент излучения, а следовательно, и энергия фотонов света кажется меньше. Это приводит к тому, что в расширяющейся Вселенной закон сохранения энергии не выполняется.
В космологическом контексте, где пространство-время может менять свою форму, понятие сохранения энергии теряет свою актуальность. Это утверждение подтверждается общей теорией относительности, в которой геометрия и размеры пространства-времени подвергаются изменениям, и энергия не обязательно сохраняется. Эмми Нётер в своих работах исходила из постулатов о неизменности пространства и времени, и если отменить это условие, ее выводы перестают быть применимыми.
Итак, что же такое энергия на самом глубоком уровне реальности? Это взаимодействие силовых полей и объектов, создающих потенциальную энергию. Кинетическая энергия проявляется в движении этих полей, а масса, в свою очередь, в основном состоит из подобных движущихся полей, напоминающих стационарное торнадо. Кинетическая и потенциальная энергии всех видов непрерывно превращаются одна в другую, изменяя свою форму, но при этом сохраняя общее количество энергии и поддерживая математическую структуру законов движения.
Вопрос о сохранении энергии во Вселенной в целом гораздо сложнее и требует пересмотра понятий "энергия" и "сохранение". С одной стороны, энергия может казаться невероятно сложной, а с другой - поразительно простой. Это увлекательная и многогранная тема, которая всегда захватывает воображение. Продолжайте размышлять об энергии - одной из самых загадочных и фундаментальных тем современной физики. И помните, физика - это всё.
Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поставьте лайк, подпишитесь на канал, чтобы не пропустить новые публикации, и поделитесь этим материалом со своими друзьями и коллегами. Ваша поддержка помогает нам создавать ещё более интересный и полезный контент. Спасибо за внимание, и до встречи в следующих статьях!