Млечный Путь № 2 2020

Первое определение энергии, на котором построено физическое определение, было таково: энергия - это способность выполнять работу. Но работа в физике не случайно определена особо, поскольку обычно мы имеем в виду работу скорее в разговорном смысле. Вместо этого работа означает нечто очень специфическое: сила, приложенная к объекту, который перемещается на определенное расстояние в том же направлении, в котором действует сила.

Если вы нажимаете на коробку с усилием 10 Н в том же направлении, в котором коробка перемещается на расстояние 1 метр, вы выполняете 10 Дж работы.

Если вы нажимаете на коробку с силой 10 Н в направлении, противоположном тому, что коробка перемещается на расстояние 1 метр, вы выполняете -10 Дж работы.

И если вы нажимаете на коробку с силой 10 Н, перпендикулярной направлению, в котором она движется на 1 метр, вы вообще работу не совершаете.

Концепция лазерного паруса DEEP основана на большой лазерной матрице, ускоряющей космический корабль малой массы с большой площадью поверхности. Потенциально так можно ускорить неживые объекты до скоростей, приближающихся к скорости света, что делает возможным межзвездное путешествие в течение одной человеческой жизни. Работа, выполняемая лазером с применением силы, когда объект перемещается на определенное расстояние, является примером перехода энергии из одной формы в другую.

Традиционно все другие определения энергии полагаются на способность превращаться в способность выполнять работу. Энергия определяется вашей способностью выполнять работу, но работа (циклически) определяется как передача энергии от одного источника к другому. Однако, несмотря на наше невежество, мы можем с уверенностью сказать, что есть много вещей, которые не вызывают сомнений, в том числе:

- масса и материя содержат это,

- это можно определить количественно,

- мы можем хранить это электрически, химически, термически и т. д.,

- мы можем преобразовать это из одной формы в другую,

- мы можем использовать это, чтобы выполнить нечто (то есть сделать работу),

- мы не создаем и не разрушаем это,

- и мы можем генерировать, рассчитывать и измерять различные формы этого.

"Перекачивая" электроны в возбужденное состояние и стимулируя их фотоном желаемой длины волны, вы можете вызвать испускание другого фотона с точно такой же энергией и длиной волны. Обратите внимание: излучение плюс вырабатываемое тепло равны введенной энергии: она сохраняется.

Что касается различных форм энергии, то здесь нет предела. Если у вас есть какая-либо конфигурация, из которой можно извлекать, передавать или выполнять работу, вы получаете новую форму энергии. Это может быть энергия механическая, электрическая или химическая; это может быть в кинетической (движущейся) или потенциальной (неподвижной) форме; оно может быть в форме тепла или света; это может быть на основе частиц или на основе волн; это может быть классическим или квантовым по своей природе.

Но энергию не всегда можно извлечь. Наряду со всеми этими различными формами, физика также дает вам представление об основном состоянии или состоянии с самой низкой энергией, которого может достичь любая квантовая система. Эта энергия нулевой точки не обязательно равна классическому значению состояния с нулевой энергией, но часто может обладать конечным ненулевым значением. Например, энергия атома водорода в низшем (основном) состоянии - не ноль, а большая величина.

21-сантиметровая водородная линия возникает, когда атом водорода, содержащий комбинацию протон/электрон с одинаково направленными спинами (вверху), переворачивается, чтобы получились противоположно направленные спины (внизу), испуская один фотон с характерной длиной волны. Конфигурация противоположного спина на энергетическом уровне n = 1 представляет основное состояние водорода, но его энергия нулевой точки является конечным ненулевым значением.

Эта разница между основным состоянием и классическим значением нуля определяет то, что мы знаем как энергию нулевой точки. Возможно, самое поразительное открытие в истории физики: исследования расширяющейся Вселенной за последние 20 лет привели ученых к выводу, что энергия нулевой точки самого пространства является не нулевой, а некоторой большей конечной величиной.

Запомните первоначальное определение энергии: это способность выполнять работу (прикладывать силу вдоль направления движения). Если само пространство заполнено некой энергией, известной сегодня как темная энергия, то она оказывает отрицательное давление, которое является силой, действующей на определенную площадь. И если Вселенная расширяется, это означает, что площадь поверхности границы наблюдаемой Вселенной изменяется на определенном расстоянии. Следовательно, темная энергия работает на расширение Вселенной.

Эффект повышения температуры газа внутри контейнера. Внешнее давление может привести к увеличению объема, при котором внутренние молекулы действительно работают на стенках контейнера.