25. septembra 2020

Existuje energia?

Všetci sa asi zhodnete, že áno. Čo je to za hlúpu otázku? Ako keby sme sa na zjazde pekárov pýtali, či existuje múka. Prvýkrát som si túto otázku položil počas prednášky Martina Mojžiša, nevenoval som jej však veľa pozornosti. Vrátil som sa k nej po diskusii s jedným ezoterikom. Energia je jedno z mnohých vedeckých slov, ktoré v ich komunite hojne využívajú – akurát s trochu iným významom, ktorý si sami vymysleli – čo vedie k istým zmätkom. Keď som sa znovu zamyslel nad podstatou energie, došiel som k záveru, že energie ako taká neexistuj. Dovoľte mi vysvetliť.

O energii hovoríme stále. Solárne panely zachytávajú slnečné energiu, spotrebiče v domácnosti vyžadujú elektrickú energiu, keď sa valí balvan dole kopcom, povieme, že stráca potenciálnu gravitačnú a získava kinetickú energiu. Energia je všade. Teda, všade ju vidíme.

Všetky príklady by sa totiž dali opísať bez slova energia. Solárne panely zachytávajú svetlo, spotrebiče vyžadujú elektrický prúd, balvanu klesá výška a rastie rýchlosť. Vždy, keď sa niekde objaví energia, vieme ju popísať iným spôsobom.

Rozdiel nie je len sémantický. Energia totiž neexistuje ako izolovaná esencia, vždy to je energia niečoho. Kinetická energia vlaku, tepelná energia hrnca vriacej vody, chemická energia uväznená v benzíne. (Myslím, že toto môže byť kľúčová nepresnosť predstavy ezoterikov, ktorí si, pokiaľ viem, energiu často predstavujú práve takto.)

Už niekoľko odstavcov visí vo vzduchu otázka: „Čo znamená existovať?“ Súhlasím, táto otázka je na mieste – aj keď sa musím priznať, nemám ju veľmi rád. Takže sa to pokúsim sformulovať tak, aby to bolo presné, no nie otravne dlhé: energia neexistuje ako samotný fyzikálny objekt, je to nálepka, ktorú používame na opis fyzikálneho sveta.

Inými slovami, energia vlastne ako taká neexistuje – je to len užitočný pojem. Teda, je to extrémne užitočný pojem. Energia totiž spĺňa niečo fascinujúce – zachováva sa.

Zoberme si taký dynamit. Pred výbuchom je to šúľok chemikálii, po výbuchu je to kopa jednoduchších chemikálii a zároveň svetlo, zvuk, vibrácia zeme a teplo. Ak by sme veľmi presne spočítali koľko chemickej energie bolo v dynamite pred výbuchom a aká je reakcia vzniknutého svetla, zvuku a podobne, zistili by sme, že to sedí úplne presne. Nič sa neobjavilo a nič nezmizlo – len sa zmenila forma. (Niekedy hovoríme, že dochádza k energetickým stratám, no tým sa myslí, že sa energia zmenila na formu, ktorú nevieme využiť.)

Je nesmierne užitočné o javoch rozmýšľať v termínoch energie: chemická energia dynamitu sa zmenila na akustickú, elektromagnetickú a vibračnú. Zachovávanie energie tu zohráva kľúčovú vlastnosť – nemusíme poznať detaily reakcie, napríklad v tomto prípade ako presne dynamit vybuchne. Stačí vedieť koľko energie je v dynamite a hneď vieme, koľko energie z reakcie dostaneme – a teda, aký výbuch urobí.

Ak je energia len užitočná nálepka a nie skutočná fyzikálna esencia, prečo sa zachováva? Ako je možné, že všade, od chémie, cez jadrovú fyziku, gravitáciu, kinetiku či elektromagnetizmus, všade v tej spleti rôznych reakcií a procesov, je niečo nemenné?

Odpoveď na túto otázku priniesla začiatkom minulého storočia nemecká matematička Emmy Noethorová. Jednou z mnohých vecí, ktoré skúmala, je prepojenie symetrií a zákonov zachovania. Bežne si pod symetriou predstavíte rovnakosť – napríklad keď je ľavá aj práva strana rovnaká, tak povieme, že je to symetrické.

Fyzikálna definícia symetrie je taká, že niečo vyzerá rovnako aj keď s tým niečo spravíme. Napríklad ak otočíte dokonalú guľu, stále vyzerá rovnako – a tak povieme, že guľa má rotačnú symetriu. Ak kráčate po dlhej a rovnej koľajnici, spravíte krok a koľajnica vyzerá rovnako – vtedy hovoríme o translačnej symetrii (vyzerá rovnako, keď sa posúvame).

Emmy Noethorová skúmala symetrie fyzikálnych zákonov a objavila ich fascinujúci dôsledok. Tak fascinujúci, že aspoň pre mňa osobne je to jedna z najzaujímavejších vecí, ktoré som sa kedy dozvedel. Pomocou relatívne jednoduchého matematického dôkazu ukázala, že symetrie fyzikálnych zákonov vedú k zákonom zachovania. Čo si pod tým máte predstaviť?

Jeden príklad za všetky: ak sa fyzikálne zákony nemenia v čase, tak sa dá nájsť istá veličina, ktorá sa vždy zachováva. Asi hádate správne, o akú veličinu ide – áno, o energiu. Emma Noethorová ukázala, že dôsledkom nemennosti fyzikálnych zákonov vieme vždy identifikovať kombináciu veličín, ktorých súčet bude vždy rovnaký. Energia je tak nálepka, ktorej užitočnosť vyplýva z nemennosti fyzikálnych zákonov.

Existuje energia? Áno, ale skôr ako abstraktný fyzikálny pojem užitočný pri rozmýšľaní o prírodných javoch. Neexistuje ako samostatná esencia, ktorú by sme vedeli izolovať od všetkého ostatného, mať vrecko čistej energie, ktorú nalejeme do stroja a ten sa začne hýbať. Aj tak je však energia fascinujúca, keďže je zrkadlom fundamentálnej vlastnosti fyzikálnych zákonov – ich nemennosti v čase.

[Samuel]

PS: Občas sa ako „čistá“ energia označuje svetlo. Správne je však povedať, že svetlo je elektromagnetická vlna (ktorej odpovedá istá energia).

PS2: Aj iná známe zákony pochádzajú zo symetrie fyzikálnych zákonov. Napríklad zákon zachovania hybnosti platí, lebo sa fyzikálne zákony nemenia v priestore – rovnako platia na Zemi ako na Marse.

PS3: Existujú aj iné pohľady na význam slova existovať a pri týchto výkladoch sa dá povedať, že energia existuje. Nejde o konkrétne slovíčko, ktoré použijeme, ale o fyzikálnu podstatu energie ako takej.

O Emme Noetherovej
https://www.facebook.com/vedator.svk/photos/a.215988422181212/414102465703139/?type=3&theater

Pridaj komentár