Одно из главных понятий в физике - это энергия. Но она настолько запутана и абстрактна, что подобрать правильнее сравнение и как-то перевести её со страниц учебника в наш мир просто невозможно.
При этом очень хотелось бы иметь некоторый эквивалент, с которым можно сравнивать энергию и как-то её для себя визуализировать.
Многие представляют себе это как на экране видеоигры. Персонаж подобрал какой-нибудь фрукт и полоска с количеством энергии вдруг стала чуточку длиннее. Энергией тогда будет являться некоторое странное вещество, которое подобно бензину в баке обеспечивает способность системы выполнять полезную работу. Вроде бы всё хорошо, но... Сравнение не соответствует современным подходам и уж точно энергия - это не какой-нибудь питательный нектар, бензин, газ (подставьте нужное).
Физики вообще ругаются, когда читают такие сопоставления. Но по их же словам - ни один уважающий себя учёный не даст определение энергии. Вопрос как тут быть нам с попыткой визуализировать всё это и осознать физическую сущность явления? Ведь без вменяемого сравнения не выйдет и представить то, о чём мы говорим. Да, это не всегда возможно. Например, с бесконечными размерами Вселенной или многомерностью пространства. Но неужели и тут всё так? Оказывается нет... Современная наука нашла неплохой способ описания сути энергии и похоже он довольно точный.
Лучше джедаев энергию пока не описывали
На удивление, неплохо это было показано... джедаями в легендарном фильме. Помните как оно там? "Я чувствую отклонение в силе" или "колебания силы". Джедаи и всё сущее использовало по этой логике некоторую магическую сила и сила эта не имела ни знака, ни формы. Но могла использоваться в процессах. При этом сама система всегда стремилась к равновесию.
С силой нужно было уметь работать, но по сути любое действие исходило из того, что сама Вселенная стремится к балансу. Баланс этот обусловлен симметрией. А сила только лишь абстрактная величина, характеризующая нарушение симметрии. Ничего не напоминает?
Сила чрезвычайно похожа на энергию, а то, что движет наш мир, может быть лишь абстракцией. Характеристикой количества, но не формой материи. И похоже современная физика с этим вполне солидарна.
Мы привыкли думать об энергии как о чём-то осязаемом. Она вроде как течёт по проводам, содержится в пище, хранится в аккумуляторе. Слово энергия всегда звучит как некая субстанция, универсальное топливо мира. Но физика говорит, что это иллюзия. Энергии как объекта не существует.
Если открыть любой учебник, то там можно найти десятки видов энергии: кинетическая, потенциальная, тепловая, химическая, ядерная... Но попробуйте показать хоть одну из них в чистом виде. Так, чтобы она не оказалась привязанной к какому-то процессу.
Энергия - это не сущность, а число, которое физики присваивают системе, чтобы описать, насколько она устойчива к изменениям. Это способ подсчёта, а не предмет наблюдения. Точно также, как и у джедаев.
Когда ты бросаешь камень вверх, то у него есть кинетическая энергия. В высшей точке - потенциальная. Но сама природа не хранит где-то две коробки с этой энергией. Это мы используем сопоставления, чтобы следить за законом сохранения. А источник энергии тут - симметрия природы на фундаментальном уровне.
Симметрия при этом понимается в самом обычном смысле этого слова. Зеркало, маятник и всё, что вам нравится.
Симметрия - лучшее мерило?
Вновь физика тут плотно переплетается с математикой. Иначе быть и не может - математика есть язык физики.
В XIX веке математики заметили, что если система меняется при сдвиге во времени, то существует некая величина, которая всегда остаётся постоянной. Это и есть энергия. Тот самый пример с камнем - подбрасываете его в воздух и видите, как кинетическая энергия превращается в потенциальную и наоборот. Система меняется, а величина энергии постоянной.
Источник всего безобразия - та самая симметрия, про которую мы сказали чуть выше. У любого процесса в физике есть некоторое условное состояние равновесия. Проще всего это представить посредством маятника. Его положение в свободном состоянии отмечено в точке А, а точки Б и В иллюстрируют состояния при выходе из равновесия. Абсолютно любой физический процесс может быть рассмотрен через эту призму. При этом симметрия будет описывать границы существования процесса, если уместно так сказать.
Именно симметрия тут - источник множества физических величин и энергии тоже. Энергия будет лишь условной характеристикой или числом, показывающим насколько систему тряхануло.
Связь между симметриями и сохранением величин впервые строго описала немецкий математик Эмми Нётер. Её теорема один из самых глубоких принципов всей физики:
Всякой симметрии соответствует закон сохранения.
Время в физике однородно. Его свойства одинаковы сегодня, завтра и через миллион лет. Из этой симметрии следует и сохранение энергии, а энергия - только число, описывающее "насколько". Любой дисбаланс таким образом можно описать как превращение энергии из одной формы в другую.
Когда физические законы одинаковы во времени, возникает закон сохранения энергии. Когда законы одинаковы в пространстве, сохраняется импульс. Когда одинаковы при поворотах, сохраняется момент импульса. То есть система движется не потому, что на неё “действует энергия”, а потому что мир симметричен, и эти симметрии порождают неизменные величины, которые мы называем энергией, импульсом и т. д.
Если бы физика старела и законы медленно менялись, то энергия перестала бы сохраняться. Выходит, энергия - это просто математическая тень симметрии времени. Не сущность, а винтик закономерности, цифра, показатель. То, насколько мы отклонили маятник если вам так будет угодно.
Когда загорается лампочка, нагревается металл или движется планета, мы говорим - происходит превращение энергии. Но в действительности ничего не течёт и не превращается. Меняется состояние системы, а мы фиксируем, что сумма определённых чисел осталась неизменной. Разница между ними будет энергией.
Мы не можем показать энергию, но можем предсказать, как она поведёт себя в любом эксперименте. Это не субстанция, а инвариант, гарантирующий согласованность мира.
Но, признаться, очень сложно уйти от восприятия энергии как от полоски состояния в видеоигре и от попыток представлять бочки с бензином.
При этом очень интересно, что как и в теории симуляции, описание энергии из видеоигры куда больше подходит к реальности, чем все наши фантазии. Так, длина полоски энергии персонажа, определяет его цифровое состояние и не имеет реального эквивалента. Это действительно намного больше похоже на симметрию, чем на пирог с яблоками...
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями