Энергия — что это такое?

Это субстанция, это излучение, это материя? Этот вопрос я пытаюсь выяснить уже давно.

Мы привыкли говорить о том, что тела обладают энергией. Известное уравнение Е=mc2 говорит именно об этом. То есть энергия вроде как зависит от массы, поскольку скорость света с — величина постоянная.

Когда мы например, нагреваем тело — оно получает энергию. Когда оно остывает — оно её отдает в виде излучения или с помощью контакта с другими телами. Когда мы разгоняем протоны в коллайдере, мы добавляем им энергию с помощью электромагнетизма. Но если пучок протонов уже разогнан до 99,99% скорости света — добавление энергии не приводит к росту скорости и протоны… начинают наращивать массу. Да, массу, они становятся тяжелее. Кинетическая энергия пучка протонов в большом адронном коллайдере сопоставима с кинетической энергией Боинга-747, падающего на землю вертикально со скоростью 900км/ч. А изначально разгоняемый пучок протонов умещается в маленьком сосуде и имеет массу… маленькую, в общем. Ни о чем.

Столкновение частиц в коллайдере как будто рождает новые частицы из ничего — но на самом деле новые частицы рождаются из энергии, которой были накачаны исходные частицы до столкновения. В переводе на язык этой статьи — встретились две волны, и столкнувшись — прошли сквозь друг друга и породили третью.

Более того, исследования на коллайдерах показали, что сами протоны, и другие частицы, могут возникать казалось бы, из пустого пространства, и возникают. Но не из совсем пустого — вакуум обладает энергией, отличной от нуля. Да, энергия не только плотно упаковывается в частицы, но и присутствует в вакууме, что как бы намекает нам о том, что мы живём в мире полей, а не частиц. И именно эта энергия может рождать частицы, а не наоборот. Это та же самая энергия, которая нагревает тела, та же самая энергия, что добавляет массу и увеличивает скорость. Так что же это вообще такое — энергия?!

Оказывается, мы этим словом называем то, что понимаем меньше всего. Раньше было понимание того, что всё состоит из неких мелких кирпичиков мироздания — атомов. Потом выяснили, что атомы это не самое мелкое, что есть во вселенной, а описание существования протона или электрона — это суть описание волны, которая как будто колеблется в неком объёме. Собственно, электрон больше напоминает по виду облако вокруг протона. Облако колебаний с отрицательным зарядом. А протон — это три кварка с 1/3 заряда, связанные глюонами — там суть тоже кругом сплошная волновая функция, если сильно упрощённо. Но — заряд ЧЕГО? Как может быть 1/3 заряда? Откуда этот заряд берётся? Почему так, а не иначе?

Эти вопросы волновали меня давно, и я перелопатил кучу информации и сейчас попытаюсь её перевести на обычный человеческий язык.

Наш мир — это не мир частиц и излучения. Это не мир протонов, электронов и атомов. Это скорее мир полей. Про магнитное поле вы в курсе, возможно понимаете и что такое электрическое поле. А кто не понимает — представьте себе море. Спокойное море в штиль — это как физическое поле, как вакуум. А частицы в нашем мире — это как волны, идущие по морю.

Только в море без ветра волна будет затухать из-за трения, а в физическом вакууме трения нет и поле может колебаться сколь угодно долго. Закольцованная волна в полях физического вакуума — это и есть элементарная частица, а от энергии и формы этой волны и от взаимодействия с полями — зависит какая именно это будет частица. Тут ещё много непонятного и просто не исследованного современной физикой, но в целом ясно: наш мир — это мир полей, флуктуации которых полей кажутся нам частицами. И эти частицы постоянно обмениваются энергией… А количество энергии при этом остаётся неизменным! Энергия никуда не девается и ниоткуда не возникает, она только переходит из одной формы в другую — например, энергия поля плотно упаковывается в стоячую закольцованную трёхмерную волну, которую мы воспринимаем как частицу. Частица может отдать часть своей энергии другой частице — но каким образом? Тут два способа — передать часть своей амплитуды колебаний, или испустить по ткани пространства волну (в виде фотона или нейтрино, например), лишившись при этом части энергии.

Получается энергия — это всего лишь некая числовая мера интенсивности колебания волн в физических полях. И измеряем мы энергию в джоулях или в электронвольтах, а что такое электронвольт? Это похоже на замер разности потенциалов в электротехнике, только в рамках некоторой части поля, в котором заперта стоячая волна на этом поле. Если по аналогии с морем и водой, стоячая волна — это как волны в бассейне, постоянно отражающиеся от стенок бассейна.

Почему поля вообще колеблются — это загадка, есть куча версий на эту тему и даже анимации флуктуаций физических полей, но ясно одно — эти флуктуации происходят в физических полях постоянно, мы именно это и наблюдаем. С другой стороны, почему бы им не колебаться? Их колебаниям ничто не мешает, трения на тех масштабах нет и быть не может, а сами колебания могут быть обусловлены неравномерностью самого поля — и намного вероятнее существование не статичного поля, чем равновесного.

Кстати, о равновесии. По аналогии с известным каждому тепловым равновесием — все тела, а возможно и физические поля стремятся занять состояния, похожие на равновесные — тела стремятся к тепловому равновесию — а в рамках волны это значит, что амплитуды всех волн смешаются и на ткани пространства будет однородная рябь — наподобие реликтового излучения, которое как бы намекает нам, что вселенная находилась в неком почти статичном и близком во всех отношениях к равновесному состоянии.

Наше существование вообще обусловлено наличием неравновесных состояний — как химических, так электрических и термодинамических, и процессы, происходящие в нашей вселенной, стремятся к минимально возможным энергетическим состояниям — максимально снизить температуру, максимально снизить заряд. В начальной горячей вселенной это было невозможно, но поскольку вселенная расширяется — поля или увеличиваются, или растягиваются, и в конечном счёте амплитуда их колебаний станет минимальной, почти ровной, почти плоской. Если к тому времени (10 в 139 степени земных лет) остался бы наблюдатель, он бы увидел пустой, холодный чёрный космос без материи (материя это плотно упакованная энергия, а в растянутой вселенной нет нужды так упаковываться), без света (фотоны будут возникать, но редко — флуктуации вакуума минимальны) и без разности потенциалов — все поля придут в минимально возможные энергетические состояния. Пока вселенная расширяется, и пока в ней достаточная плотность энергии — наше существование ещё принципиально возможно.

При минимальной плотности энергии частицы уже не будут рождаться. И возможно, даже распадутся самые стабильные частицы — протоны

Физики же описывают энергию как набор числовых значений, присущих каждой отдельной области поля, а значения эти сильно похожи на разность потенциалов внутри поля, а это уже очень похоже на волну. А стоячая волна уже похожа на частицу. Как-то так.