Что такое чистая энергия в физике

Спросите Итана: существует ли такое понятие, как чистая энергия?

Появление бозона Хиггса на компактном мюонном соленоидном детекторе на Большом адронном коллайдере. Это высокоэнергетическое столкновение иллюстрирует всю мощь преобразования энергии, всегда существующей в виде частиц

Энергия играет важнейшую роль не только в нашей повседневной жизни, наполненной технологиями, но и в фундаментальной физике. Химическая энергия, хранящаяся в бензине, преобразуется в кинетическую энергию наших средств передвижения, а электроэнергия с электростанций преобразуется в свет, тепло и другие виды энергии в наших домах. Но эта энергия будто бы существует в виде одного свойства независимой системы. Но обязательно ли всё должно быть именно так? Наш читатель из Москвы задаёт вопрос по поводу самой энергии:

Существует ли чистая энергия, возможно, некоторое малое время перед тем, как превратиться в частицу или фотон? Или это всего лишь удобная математическая абстракция, эквивалент, используемый нами в физике?

На фундаментальном уровне энергия может принимать различные виды.

Известные частицы в Стандартной Модели. Это все частицы, что мы открыли напрямую; за исключением нескольких бозонов, у всех частиц есть масса.

Электронные переходы в атоме водорода, совместно с длинами волн получающихся фотонов, иллюстрация энергии связи

Солнце генерирует энергию, синтезируя гелий из водорода в ядре, теряя в процессе небольшое количество массы.

Солнце представляет другой пример энергии: свет и тепло, идущие в виде фотонов, отличающихся от описанных нами форм энергий. Есть и безмассовые частицы – частицы без энергии покоя – и эти частицы, фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны, движутся со скоростью света. Однако они переносят энергию в виде кинетической энергии, и, в случае глюонов, отвечают за энергию связи внутри атомных ядер и протонов.

Теория асимптотической свободы, описывающая силу взаимодействий кварков в ядре, принесла Нобелевскую премию Гроссу, Вильчеку и Политцеру.

Фундаментальный вопрос состоит в том, может ли энергия существовать независимо от любой из этих частиц. Существовала соблазнительная возможность того, что это она существует отдельно в виде гравитации: много десятилетий мы наблюдали за орбитами двойных нейтронных звёзд – двух остатков коллапсировавших звёзд, вращавшихся вокруг друг друга. Благодаря измерениям длительности импульсов пульсаров, когда одна из звёзд отправляет регулярные сигналы в нашу сторону, мы смогли определить, что эти орбиты уменьшаются и сближаются по спирали. С возрастанием их энергии связи должно происходить излучение энергии в какой-либо форме. Мы могли засечь эффекты уменьшения, но не излучаемую энергию.

Для вращающихся друг вокруг друга нейтронных звёзд ОТО Эйнштейна предсказывает уменьшение орбит и испускание гравитационного излучения

Единственным способом объяснить это было введением некоего типа гравитационного излучения: нам нужно было, чтобы гравитационные волны существовали. Первое слияние чёрных дыр, зафиксированное детектором LIGO 14 сентября 2015 года, должно было проверить эту теорию. В тот день мы зафиксировали две чёрные дыры, по спирали сближавшиеся друг с другом, и прямые гравитационные волны, испущенные этим слиянием. Изначальные чёрные дыры обладали массами в 36 и 29 солнечных; итоговая дыра после слияния имела массу в 62 солнечных.

Важнейшие параметры слияния чёрных дыр 14 сентября 2015 года. Обратите внимание, что во время слияния были потеряны три солнечных массы – но эта энергия живёт в виде гравитационного излучения

Пропавшие три солнечных массы были излучены в виде гравитационных волн, и сила уловленных нами волн точно совпадала с расчётной, необходимой для сохранения энергии. Эйнштейновское E = mc 2 и перенос энергии в виде частиц или физических явлений снова были подтверждены.

Спиральное сближение и слияние первой пары чёрных дыр из всех, наблюдаемых напрямую

Энергия принимает различные формы, и некоторые из них фундаментальны. Масса покоя частицы со временем не меняется, как не меняется она от частицы к частице. Энергия этого типа присуща всему во Вселенной. Все остальные существующие формы энергии связаны с ней. Атом в возбуждённом состоянии несёт больше энергии, чем атом в основном состоянии – из-за разницы в энергии связи. Если вы хотите перейти на более низкое состояние энергии, вам нужно испустить фотон; нельзя сделать этот переход, не сохраняя энергию, и эту энергию должна унести частица – пусть и безмассовая.

На этом изображении один фотон (фиолетовый) переносит в миллион раз больше энергии, чем другой (жёлтый). Данные обсерватории Ферми по двум фотонам из вспышки гамма-лучей не показывают какой-либо задержки во времени путешествия, что означает, что скорость света не зависит от энергии

Странный факт состоит в том, что энергия фотона, или любая кинетическая форма энергии (энергия движения) не фундаментальна, а зависит от движения наблюдателя. Если вы движетесь навстречу фотону, его энергия для вас будет казаться больше (длина волны сдвигается в синюю часть спектра), а если вы двигаетесь от него, его энергия будет меньше, и он будет казаться сдвинутым в красную часть спектра. Энергия относительна, но для любого наблюдателя она сохраняется. Вне зависимости от взаимодействий энергия никогда не существует сама по себе, а только лишь как часть системы частиц, массивных или нет.

Энергия может менять формы, даже превращаться из энергии массы в чисто кинетическую, но всегда существует в виде частиц

Есть один вид энергии, которая, вероятно, может обойтись без частиц: тёмная энергия. Та форма энергии, что заставляет Вселенную расширяться с ускорением, может оказаться энергией, присущей самой ткани Вселенной! Такая интерпретация тёмной энергии внутренне непротиворечива и совпадает с наблюдениями за удалёнными и удаляющимися от нас галактиками и квазарами. Единственная проблема – эту форму энергии нельзя использовать для создания или уничтожения частиц, и конвертировать между другими формами энергии. Она кажется сущностью в себе, не связанной взаимодействиями с другими формами энергии, существующими во Вселенной.

Без тёмной энергии Вселенная бы не ускорялась. Но до этой энергии через другие частицы Вселенной добраться никак нельзя.

Так что полностью ответ на вопрос о существовании чистой энергии будет таким:

• Для всех существующих частиц, массивных и нет, энергия – одно из их свойств, и не может существовать отдельно.
• Для всех ситуаций, в которых кажется, что энергия теряется в системе, допустим, при гравитационном угасании, существует какая-либо форма излучения, уносящая эту энергию, сохраняя её.
• Тёмная энергия может оказаться чистейшей формой энергии, существующей вне зависимости от частиц, но, за исключением расширения Вселенной, эта энергия недоступна ни для чего другого во Вселенной.

Насколько нам известно, энергия – это не то, что можно изолировать в лаборатории, но одно из множества свойств, которыми обладают материя, антиматерия и излучение. Создание независимой от частиц энергии? Возможно, Вселенная этим и занимается, но пока мы не научимся создавать или уничтожать пространство-время, у нас такие действия не выходят.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Источник

Существует ли такое понятие, как чистая энергия?

Экология потребления. Наука и техника: Энергия играет важнейшую роль не только в нашей повседневной жизни, наполненной технологиями, но и в фундаментальной физике.

Энергия играет важнейшую роль не только в нашей повседневной жизни, наполненной технологиями, но и в фундаментальной физике. Химическая энергия, хранящаяся в бензине, преобразуется в кинетическую энергию наших средств передвижения, а электроэнергия с электростанций преобразуется в свет, тепло и другие виды энергии в наших домах. Но эта энергия будто бы существует в виде одного свойства независимой системы. Но обязательно ли всё должно быть именно так? Наш читатель из Москвы задаёт вопрос по поводу самой энергии:

Существует ли чистая энергия, возможно, некоторое малое время перед тем, как превратиться в частицу или фотон? Или это всего лишь удобная математическая абстракция, эквивалент, используемый нами в физике?

На фундаментальном уровне энергия может принимать различные виды.

Известные частицы в Стандартной Модели. Это все частицы, что мы открыли напрямую; за исключением нескольких бозонов, у всех частиц есть масса.

Электронные переходы в атоме водорода, совместно с длинами волн получающихся фотонов, иллюстрация энергии связи

Солнце генерирует энергию, синтезируя гелий из водорода в ядре, теряя в процессе небольшое количество массы.

Солнце представляет другой пример энергии: свет и тепло, идущие в виде фотонов, отличающихся от описанных нами форм энергий. Есть и безмассовые частицы – частицы без энергии покоя – и эти частицы, фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны, движутся со скоростью света. Однако они переносят энергию в виде кинетической энергии, и, в случае глюонов, отвечают за энергию связи внутри атомных ядер и протонов.

Теория асимптотической свободы, описывающая силу взаимодействий кварков в ядре, принесла Нобелевскую премию Гроссу, Вильчеку и Политцеру.

Фундаментальный вопрос состоит в том, может ли энергия существовать независимо от любой из этих частиц. Существовала соблазнительная возможность того, что это она существует отдельно в виде гравитации: много десятилетий мы наблюдали за орбитами двойных нейтронных звёзд – двух остатков коллапсировавших звёзд, вращавшихся вокруг друг друга. Благодаря измерениям длительности импульсов пульсаров, когда одна из звёзд отправляет регулярные сигналы в нашу сторону, мы смогли определить, что эти орбиты уменьшаются и сближаются по спирали. С возрастанием их энергии связи должно происходить излучение энергии в какой-либо форме. Мы могли засечь эффекты уменьшения, но не излучаемую энергию.

Для вращающихся друг вокруг друга нейтронных звёзд ОТО Эйнштейна предсказывает уменьшение орбит и испускание гравитационного излучения

Единственным способом объяснить это было введением некоего типа гравитационного излучения: нам нужно было, чтобы гравитационные волны существовали. Первое слияние чёрных дыр, зафиксированное детектором LIGO 14 сентября 2015 года, должно было проверить эту теорию. В тот день мы зафиксировали две чёрные дыры, по спирали сближавшиеся друг с другом, и прямые гравитационные волны, испущенные этим слиянием. Изначальные чёрные дыры обладали массами в 36 и 29 солнечных; итоговая дыра после слияния имела массу в 62 солнечных.

Важнейшие параметры слияния чёрных дыр 14 сентября 2015 года. Обратите внимание, что во время слияния были потеряны три солнечных массы – но эта энергия живёт в виде гравитационного излучения

Пропавшие три солнечных массы были излучены в виде гравитационных волн, и сила уловленных нами волн точно совпадала с расчётной, необходимой для сохранения энергии. Эйнштейновское E = mc 2 и перенос энергии в виде частиц или физических явлений снова были подтверждены.

Спиральное сближение и слияние первой пары чёрных дыр из всех, наблюдаемых напрямую

Энергия принимает различные формы, и некоторые из них фундаментальны. Масса покоя частицы со временем не меняется, как не меняется она от частицы к частице. Энергия этого типа присуща всему во Вселенной. Все остальные существующие формы энергии связаны с ней. Атом в возбуждённом состоянии несёт больше энергии, чем атом в основном состоянии – из-за разницы в энергии связи. Если вы хотите перейти на более низкое состояние энергии, вам нужно испустить фотон; нельзя сделать этот переход, не сохраняя энергию, и эту энергию должна унести частица – пусть и безмассовая.

На этом изображении один фотон (фиолетовый) переносит в миллион раз больше энергии, чем другой (жёлтый). Данные обсерватории Ферми по двум фотонам из вспышки гамма-лучей не показывают какой-либо задержки во времени путешествия, что означает, что скорость света не зависит от энергии

Странный факт состоит в том, что энергия фотона, или любая кинетическая форма энергии (энергия движения) не фундаментальна, а зависит от движения наблюдателя. Если вы движетесь навстречу фотону, его энергия для вас будет казаться больше (длина волны сдвигается в синюю часть спектра), а если вы двигаетесь от него, его энергия будет меньше, и он будет казаться сдвинутым в красную часть спектра. Энергия относительна, но для любого наблюдателя она сохраняется. Вне зависимости от взаимодействий энергия никогда не существует сама по себе, а только лишь как часть системы частиц, массивных или нет.

Энергия может менять формы, даже превращаться из энергии массы в чисто кинетическую, но всегда существует в виде частиц

Есть один вид энергии, которая, вероятно, может обойтись без частиц: тёмная энергия. Та форма энергии, что заставляет Вселенную расширяться с ускорением, может оказаться энергией, присущей самой ткани Вселенной! Такая интерпретация тёмной энергии внутренне непротиворечива и совпадает с наблюдениями за удалёнными и удаляющимися от нас галактиками и квазарами. Единственная проблема – эту форму энергии нельзя использовать для создания или уничтожения частиц, и конвертировать между другими формами энергии. Она кажется сущностью в себе, не связанной взаимодействиями с другими формами энергии, существующими во Вселенной.

Без тёмной энергии Вселенная бы не ускорялась. Но до этой энергии через другие частицы Вселенной добраться никак нельзя.

Так что полностью ответ на вопрос о существовании чистой энергии будет таким:

• Для всех существующих частиц, массивных и нет, энергия – одно из их свойств, и не может существовать отдельно.
• Для всех ситуаций, в которых кажется, что энергия теряется в системе, допустим, при гравитационном угасании, существует какая-либо форма излучения, уносящая эту энергию, сохраняя её.
• Тёмная энергия может оказаться чистейшей формой энергии, существующей вне зависимости от частиц, но, за исключением расширения Вселенной, эта энергия недоступна ни для чего другого во Вселенной.

Насколько нам известно, энергия – это не то, что можно изолировать в лаборатории, но одно из множества свойств, которыми обладают материя, антиматерия и излучение. Создание независимой от частиц энергии? Возможно, Вселенная этим и занимается, но пока мы не научимся создавать или уничтожать пространство-время, у нас такие действия не выходят. опубликовано econet.ru

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Источник

Существует ли такое понятие, как чистая энергия?

Существует ли чистая энергия, возможно, некоторое малое время перед тем, как превратиться в частицу или фотон? Или это всего лишь удобная математическая абстракция, эквивалент, используемый нами в физике?

На фундаментальном уровне энергия может принимать различные виды.

Обратите внимание, что во время слияния были потеряны три солнечных массы – но эта энергия живёт в виде гравитационного излучения

Пропавшие три солнечных массы были излучены в виде гравитационных волн, и сила уловленных нами волн точно совпадала с расчётной, необходимой для сохранения энергии. Эйнштейновское E = mc2 и перенос энергии в виде частиц или физических явлений снова были подтверждены.

Спиральное сближение и слияние первой пары чёрных дыр из всех, наблюдаемых напрямую

Энергия принимает различные формы, и некоторые из них фундаментальны. Масса покоя частицы со временем не меняется, как не меняется она от частицы к частице. Энергия этого типа присуща всему во Вселенной. Все остальные существующие формы энергии связаны с ней. Атом в возбуждённом состоянии несёт больше энергии, чем атом в основном состоянии – из-за разницы в энергии связи. Если вы хотите перейти на более низкое состояние энергии, вам нужно испустить фотон; нельзя сделать этот переход, не сохраняя энергию, и эту энергию должна унести частица – пусть и безмассовая.

На этом изображении один фотон (фиолетовый) переносит в миллион раз больше энергии, чем другой (жёлтый). Данные обсерватории Ферми по двум фотонам из вспышки гамма-лучей не показывают какой-либо задержки во времени путешествия, что означает, что скорость света не зависит от энергии. Странный факт состоит в том, что энергия фотона, или любая кинетическая форма энергии (энергия движения) не фундаментальна, а зависит от движения наблюдателя.

Если вы движетесь навстречу фотону, его энергия для вас будет казаться больше (длина волны сдвигается в синюю часть спектра), а если вы двигаетесь от него, его энергия будет меньше, и он будет казаться сдвинутым в красную часть спектра. Энергия относительна, но для любого наблюдателя она сохраняется. Вне зависимости от взаимодействий энергия никогда не существует сама по себе, а только лишь как часть системы частиц, массивных или нет.

Источник

15 фактов о чистой энергии, которая позволит людям сохранить свою планету

Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.

1. Солнце и ветер

Walmart и Microsoft вкладывают большие инвестиции в возобновляемую и чистую энергию, такую как ветровая и солнечная энергия. Не зависящая от ископаемого топлива и колебания цен энергия поможет компаниям иметь весомые преимущества в будущем.

2. Уголь под запретом

Европейский союз, за исключением Польши и Греции, заявил, что к 2020 году его члены больше не будут производить угольные электростанции. Это было довольно неожиданное заявление и ярко выраженный призыв к использованию чистых источников энергии.

3. Ветряки

Стандартная ветряная турбина может обеспечивать электричеством до 300 домов. Но недавно немецкая компания построила турбину, которая может обеспечить до 4 000 домов.

4. Солнечная энергия

Технологические достижения в области солнечной энергии становятся все более эффективными и экономически выгодными, не говоря уже о том, что они не загрязняют окружающую среду. Поэтому солнечная энергия, вероятно, станет основным источником чистой энергии в будущем.

По данным природоохранной группы WWF, чистая энергия может удовлетворить 95% мировых энергетических потребностей к 2050 году. Также по мере роста популярности чистой энергии начало снижаться использование ядерной энергии из-за роста затрат и проблем безопасности. С 2006 по 2014 год выработка ядерной энергии сократилась на 14%.

6. Солнце как источник энергии

Всем известно, что Солнце вырабатывает огромное количество энергии. Если бы человечество смогло воспользоваться всей ее мощью, то всего за один час можно было бы обеспечить потребности всего мира в энергии на целый год.

7. Возобновляемые источники энергии

Чистая энергия отлично подходит для создания рабочих мест. Согласно докладу Фонда защиты окружающей среды, возобновляемые источники энергии превосходят остальные отрасли экономики США в создании рабочих мест на 12%.

8. Вода как главный ресурс планеты

Сегодня сохранение воды важнее, чем когда-либо. К счастью, чистая энергия, такая как ветровая и солнечная энергия, потребляет очень мало воды. Для производства солнечной энергии, достаточной для питания 1000 домов, нужно 100 литров воды, ветряной энергии — ноль, а энергии с ископаемого топлива — 2 600 литров воды.

9. Чистая энергия

Чистая энергия помогает устранить зависимость от ископаемого топлива, создавая экономическую стабильность. При этом удается избегать излишне высоких цен на нефть.

10. Ураганы и не только

Сегодня иногда создается впечатление, что природа мстит человечеству. Ураганы и другие разрушительные природные явления стали намного более частыми и суровыми. Чистые источники энергии является более стабильными, чем уголь, поскольку они равномерно распределены по всему миру, а устройства для ее выработки намного менее подвержены стихии.

11. Электрокары как будущее автопрома

Электрические автомобили имеют ряд преимуществ. Помимо того, что они помогают сохранять воздух более чистым, электромобили меньше зависят от ископаемых видов топлива — их можно заряжать не только на специализированных станциях, но и дома.

12. Бесконечная энергия

Все знают, что ископаемое топливо невозобновляемо, что неизбежно сделает его более дорогим. Чистая энергия ветра и солнца бесконечна, поэтому ее стоимость будет стабильной, а также не придется беспокоиться о нехватке энергии.

13. Самая большая в мире электростанция

Самая большая солнечная электростанция находится в пустыне Мохаве и принадлежит NRG Solar, Google и BrightStar Energy. Ее панели раскинулись более чем на 3500 гектаров земли.

14. Гидроэнергетика

Гидроэнергетика также является хорошим источником чистой энергии. Только в США благодаря выработке гидроэнергии каждый год в атмосферу выбрасывается меньше на 160 миллионов тонн углерода.

15. Переработка биогаза

Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:

Источник