Млечный Путь № 2 2020

Однако кажется, что Вселенная, наполненная темной энергией, не сохраняет энергию. Если плотность энергии - энергия на единицу объема - остается постоянной, но объем Вселенной увеличивается, не означает ли это, что общее количество энергии во Вселенной увеличивается? И разве это не нарушает закон сохранения энергии?

Здесь мы начинаем сталкиваться с проблемами. Правда более сложна и нелогична, но сводится к следующему: в расширяющейся Вселенной энергия не сохраняется. На самом деле, в расширяющемся пространстве-времени по законам общей теории относительности энергия даже на глобальном уровне не определяется вообще.

Если бы у вас было статическое пространство-время, которое не менялось, энергосбережение было бы гарантировано. Но если структура пространства меняется по мере того, как объекты, которые вас интересуют, перемещаются, закон сохранения энергии в общей теории относительности

больше не существует.

Два основных вывода:

1. Когда частицы взаимодействуют в неизменном пространстве-времени, энергия должна быть сохранена. Когда пространство-время меняется, закон сохранения больше не действует.

2. Если вы переопределите энергию, чтобы включить проделанную работу, как положительную, так и отрицательную, в пространство вокруг нее, вы можете сохранить энергию в расширяющейся Вселенной. Это верно как для величин с положительным давлением (например, фотонов), так и величин с отрицательным давлением (например, темной энергии).

Но это переопределение не является надежным; это просто математическое переопределение, которое мы можем использовать для сохранения энергии. Дело в том, что энергия в расширяющейся Вселенной не сохраняется.

Традиционно, мы привыкли к тому, что предметы расширяются, потому что внутри них существует положительное (внешнее) давление. Противоречивая вещь о темной энергии состоит в том, что она имеет давление противоположного знака, но все еще заставляет ткань пространства расширяться.

Итак, это возвращает нас по полному кругу к первоначальному вопросу. Что такое энергия? Насколько нам известно, энергия не может существовать независимо от частиц или систем частиц. (Даже гравитационные волны состоят из гипотетических частиц, известных как гравитоны, так же, как электромагнитные волны состоят из фотонов.) Энергия может быть разных форм: некоторые фундаментальны, а некоторые производные.

Например, энергия покоя частицы присуща каждой частице самой Вселенной. Но все другие формы энергии, которые существуют, являются относительными. Кинетическая энергия относительна; электрическая энергия накапливается относительно других зарядов; Химическая энергия зависит от разрыва и формирования связей. Атом в возбужденном состоянии имеет больше энергии, чем атом в основном состоянии, но эта энергия может быть высвобождена только через излучение фотона.

Вы не можете осуществить этот переход из одного энергетического состояния в другое без сохранения энергии, и эта энергия должна переноситься частицей.

Насколько мы можем судить, энергия - это не то, что мы можем выделить в лаборатории, а только одно из многих свойств, которыми обладают вещество, антивещество и излучение. Энергия может быть определена только относительно другого, несколько произвольного состояния, и полностью зависит от полного набора частиц, составляющих вашу систему. Прошло более 300 лет с тех пор, как физика ввела определение энергии, связанное с работой, и, хотя мы все еще используем ее для всего, что происходит, оно не применяется повсеместно.

Чуть более века назад уважаемый физик Анри Пуанкаре отметил следующее: "наука строится из фактов, как дом построен из камней; но накопление фактов - не более наука, чем куча камней - дом". Мы все время говорим о том, что может сделать энергия, как она используется, где она появляется и в каких количествах, и как решить с ее помощью множество задач. Но где фундаментальное, универсальное определение? Это достижение, которое все еще за пределами нашей досягаемости.

***

https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=4Rg2GELb7MI&feature=emb_logo

Робот, "пожирающий" металлическую поверхность.

Аккумуляторные батареи служат человечеству достаточно хорошо уже на протяжении нескольких десятилетий. Однако размеры современных электронных устройств уменьшаются с каждым годом, и в этих устройствах уже не остается места для тяжелых, достаточно габаритных батарей, которые, к тому же, требуют периодической подзарядки. Есть, конечно, и альтернативные источники энергии, такие, как солнечные батареи, но все они, к сожалению, сильно зависят от условий окружающей среды и не способны в большинстве случаев, обеспечить достаточную постоянную мощность. Свой вариант решения описанной проблемы представили исследователи из Пенсильванского университета. Созданный ими источник питания приводит в действие небольшого колесного робота, который в буквальном смысле "пожирает" металл поверхности, по которой движется.