Niesamowita historia energii

W ramach przygotowań do kursu Radiowej Oślej Łączki, który ma w możliwie przystępny sposób przybliżyć zagadnienia związane z elektromagnetyzmem i falami radiowymi, zajmujemy się pojęciem energii. Jak się okazuje, ta fundamentalna wielkość okazuje się bardzo tajemnicza. Oto dalsze szczegóły.

Zgodnie z zapowiedziami z poprzednich artykułów i filmów (A005, A006), omówimy teraz…

Rozwój pojęcia energii

My jesteśmy elektronikami i interesuje nas przede wszystkim energia w elektronice. Jednak historia fizyki nie zaczęła się od elektryczności, tylko od mechaniki. Można powiedzieć, że od XVII wieku próbowano opisać matematycznie zależności występujące w mechanice. A nie było to łatwe. Do dziś wielu z nas ma niemały problem z rozróżnieniem pojęć masa i ciężar. Dla wielu osób nadal jest to dokładnie to samo. A przecież nie jest…

Z pojęciem energii było i jest jeszcze gorzej. Wbrew pozorom, pojecie to jest niesamowicie trudne i nie powstało od razu. Czymś zdecydowanie łatwiejszym i bardziej oczywistym było pojęcie siły. Dziś nie tylko w mechanice energia wiąże się z siłą, ale niestety w potocznym rozumieniu siła wiąże się z energią zdecydowanie zbyt mocno. Wbrew częstym wyobrażeniom, energia to na pewno nie jest siła.

Pojęcie energii rodziło się stopniowo. Kartezjusz (René Descartes 1596–1650) już na początku XVII wieku sądził, że w procesach przyrodniczych jakaś wielkość powinna być stała w czasie.

Dość blisko pojęcia energii i jej niezmienności był, zajmujący się wahadłami, XVII wieczny uczony Christiaan Huygens (1629–1695), wynalazca zegara wahadłowego (fotografia 1: C Friedrich Haag CC BY-SA 4.0).

Prawidłowe pojęcie o masie i sile, ale nie o energii, miał już genialny Newton, który żył w latach 1643–1727, czyli na przełomie XVII i XVIII wieku. Wtedy do pojęcia energii było jeszcze bardzo daleko. Stosunkowo blisko było jedynie do pojęcia energii kinetycznej, jaką mają ciała w ruchu. W XVIII wieku uczeni toczyli dyskusje m.in. „o całkowitej ilości ruchu”. Doprowadziło to do pojęcia pędu, który jest iloczynem masy i prędkości (p = mv).

Niemiecki uczony zajmujący się wielu dziedzinami nauki, Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716) stwierdził, iż wielkością stałą w czasie jest iloczyn masy i kwadratu prędkości (mv2). Wielkość tę, w odróżnieniu od siły, nazwał vis viva – siła żywa. Właściwie była to energia kinetyczna, tylko do zależności mv2 trzeba było dołączyć czynnik 1/2 (0,5).

Kwestią „niezmiennego czynnika” i „całkowitej ilości ruchu” zajmował się też wielki filozof z Królewca. Niestety, Immanuel Kant (1724–1804) był zdecydowanie bardziej filozofem niż fizykiem i z problemem sobie nie poradził. W dyskusje było zaangażowanych wielu naukowców. W grę weszła też „zasada minimalizacji”, czy jak dziś powiemy – dążenie do minimalizacji energii.

Najpierw zajmowano się tylko mechaniką, a potem, w wieku XIX doszły zjawiska elektryczne i magnetyczne. W każdym razie można uznać, że pojęcie energii skrystalizowało się zaskakująco późno, dopiero pod koniec XIX wieku. I wtedy, na przełomie XIX i XX wieku, wszystko wskazywało, że energia i jej przemiany są podstawą całej fizyki. Niestety, wiek XX przyniósł zmiany, i to zmiany wręcz dramatyczne.

Otóż najpierw pojawiła się szczególna teoria względności, która mocno namieszała w kwestii energii. Ale, co dużo gorsze, klarownemu XIX-wiecznemu pojęciu energii niemal śmiertelny cios zadała nieco późniejsza ogólna teoria względności.

Otóż według szczególnej teorii względności, do opisu czasoprzestrzeni trzeba używać transformacji Lorentza. Z transformacją Lorentza związany jest „płaski” rysunek 2 (Jonathan Doolin CC BY-SA 2.5) oraz „przestrzenny” rysunek 3 (TxAlien z angielskiej Wikipedii CC BY-SA 3.0).

W przypadku energii, do matematycznego opisu trzeba używać czterowektora (wektora czterowymiarowego), a konkretnie czteropędu. Okazuje się przy tym, że energia jest składową czasową (zerową) tego czteropędu, a pozostałe trzy składowe przestrzenne to pęd. W grę wchodzi też masa, a dokładniej tak zwana masa spoczynkowa.

Tak, spoczynkowa, bo co jeszcze dziwniejsze, przy wzroście prędkości masa rośnie, czyli niejako energia zamienia się w materię. Ujawnia się wzajemna zależność, a wręcz tożsamość energii i materii wyrażona słynnym wzorem Einsteina: E = mc2 .

Najprościej można powiedzieć, że kwadrat prędkości światła (c2) to stała fizyczna, więc energia jest materią i na odwrót – materia to jakaś „skoncentrowana”, żeby nie powiedzieć „zmaterializowana” postać energii.

(…) ciach!

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się z numerze lipcowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 7/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 7/2023 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.