Почему нельзя создать или уничтожить энергию?

• На уровне физики 101 вам просто нужно принять это как экспериментальный факт.

• В старших классах или на уровне начальной аспирантуры вы познакомитесь с теоремой Нётер , и мы сможем говорить об инвариантности физического закона по отношению к смещениям во времени. На самом деле это всего лишь замена одного экспериментального факта (энергия сохраняется) другим (характер физического закона не зависит от времени), но по крайней мере это кажется более глубоким пониманием.

• Когда вы углубленно изучаете общую теорию относительности и/или космологию, вы можете столкнуться с заявлениями о том, что при правильных обстоятельствах трудно определить уникальное время, которое можно использовать для «инвариантности относительно переноса во времени» , оставляя вопрос сохранения энергии. Даже на Physics.SE вы найдете довольно много разногласий по этому поводу. Это настолько далеко за пределами моего понимания, что я не осмелюсь высказать свое мнение.

  Это может (или не может) опровергнуть то, что вам сказали, но не так, как вас это волнует.

Образование по физике часто такое. Люди рассказывают вам о твердых, нерушимых правилах, а потом говорят: «Ну, это было всего лишь приближение, справедливое при соблюдении таких-то и таких-то условий, а настоящее правило заключается в другом» . Затем, в конце концов, вы более или менее догоняете какую-то передовую часть науки и получаете возможность участвовать в изучении новых правил.

В небольшой области с гравитационным полем Земли общая теория относительности очень похожа на специальную теорию относительности. Для малых скоростей специальная теория относительности очень похожа на ньютоновскую физику. Если мы определим полную кинетическую энергию объекта как тройной интеграл произведения его плотности и половину квадрата его скорости и его полного импульса как тройной интеграл произведения его плотности и скорости, это может быть математически доказано, что в любой системе, в которой сохраняется импульс, изменение полной кинетической энергии одинаково во всех системах отсчета. Оказывается, всякий раз, когда система без внешней силы теряет кинетическую энергию, она приобретает такое же количество тепловой энергии. Гравитационная потенциальная энергия объекта также может быть определена как mgh. Используя уравнение (vf)^2 = (vi)^2 + 2ad, мы можем вывести, что сумма полной потенциальной потенциальной энергии и кинетической энергии объекта в свободном падении остается постоянной. Центробежная сила — это фиктивная сила, поэтому потенциальной центробежной энергии не существует. Как сохраняется энергия, когда вы выполняете работу по перемещению объекта ближе к центру центрифуги в космическом пространстве? Это потому, что у него есть другая фиктивная сила, называемая силой Кориолиса, и когда вы перемещаете его ближе к центрифуге, он оказывает на него реактивную силу Кориолиса, увеличивая скорость его вращения и, следовательно, придавая ему больше кинетической энергии. Центробежная сила — это фиктивная сила, поэтому потенциальной центробежной энергии не существует. Как сохраняется энергия, когда вы выполняете работу по перемещению объекта ближе к центру центрифуги в космическом пространстве? Это потому, что у него есть другая фиктивная сила, называемая силой Кориолиса, и когда вы перемещаете его ближе к центрифуге, он оказывает на него реактивную силу Кориолиса, увеличивая скорость его вращения и, следовательно, придавая ему больше кинетической энергии. Центробежная сила — это фиктивная сила, поэтому потенциальной центробежной энергии не существует. Как сохраняется энергия, когда вы выполняете работу по перемещению объекта ближе к центру центрифуги в космическом пространстве? Это потому, что у него есть другая фиктивная сила, называемая силой Кориолиса, и когда вы перемещаете его ближе к центрифуге, он оказывает на него реактивную силу Кориолиса, увеличивая скорость его вращения и, следовательно, придавая ему больше кинетической энергии.

Я полагаю, что было доказано, что существует ровно один способ определить релятивистскую массу и импульс как функцию массы покоя и скорости, и для двух объектов с любой массой покоя и скоростью, какую массу покоя и скорость будет иметь система, если они столкнутся и комбинировать так, чтобы

• Полная релятивистская масса и импульс сохраняются
• Релятивистская масса равна массе покоя при нулевой скорости
• Импульс равен нулю при нулевой скорости
• Скорость изменения количества движения по отношению к скорости при нулевой скорости равна массе покоя
• В любой системе отсчета два объекта с заданной массой покоя и скоростью, если они объединятся, объединятся в систему с той же массой покоя и скоростью.

и что каждый объект имеет массу покоя и действительно следует этим законам в нашей Вселенной.

В реальной ситуации системы без внешних сил в отсутствие гравитационного поля мы можем определить массу покоя вращающегося объекта как его релятивистскую массу в системе отсчета его скорости, и когда два объекта объединятся, они будут либо получить тепловую энергию, либо кинетическую энергию вращения, и на самом деле тепловая энергия и кинетическая энергия вращения вносят свой вклад в его массу покоя, но два объекта с заданной массой покоя и скоростью объединятся в систему с одной и той же массой покоя и скоростью независимо от источника их первоначальная масса покоя.

Я считаю, что в общей теории относительности энергия и импульс не обязательно сохраняются. Я думаю, что электромагнитное поле не искривляет пространство-время и не влияет на гравитационное поле каким-либо образом, кроме ускорения заряженной частицы, которая, в свою очередь, влияет на гравитационное поле своей гравитацией, а в отсутствие частиц электромагнитное поле не повлияет. гравитационное поле одно пятнышко. Это означает, что электрическое поле не будет ускорять заряженную черную дыру. Возможно, заряженная черная дыра могла пройти гиперболическую орбиту с заряженной частицей, и заряженная черная дыра будет ускорять заряженную частицу своей массой и зарядом, но заряженная частица будет ускорять заряженную черную дыру только своей массой, а не своим зарядом, создавая чистое изменение импульса, и если оно не удовлетворяет точному условию,

Я бы сказал, что сохранение энергии является частью ее определения, другими словами, энергия была разработана таким образом, чтобы сохраняться. Потому что сохраняющиеся количества можно с полным основанием считать удобными. Подумайте об этом так. Допустим, мы вернулись на несколько сотен лет назад и работаем над новой концепцией, которую решили назвать «энергия». Вероятно, у нас уже была разумная идея связать энергию с движением (называя ее кинетической энергией) и температурой (тепловой энергией), может быть, даже таким образом, что когда движущийся объект замедляется трением, выделяемое тепло и потери в скорости соответствуют равным количествам этой «энергии». Позже со временем мы осознаем, что не продумали это до конца. Скажем, у меня есть скользящий объект на изогнутом рельсе, который начинается вертикально вверху и заканчивается горизонтально на уровне моря. Я решаю удерживать предмет неподвижно на определенной высоте. Первоначально он неподвижен при комнатной температуре. Отпускаю, он скользит по рельсу и нагревается до тех пор, пока трение не останавливает его где-то на горизонтальной части рельса. Теперь оно неподвижно, как и прежде, но горячее. Поэтому он имеет такое же количество кинетической энергии, но больше тепловой энергии. Откуда это ? Размещение объекта над землей дает ему возможность двигаться или выделять тепло, или, скорее, кажется, что высота может быть преобразована в тепло и движение. Поэтому представляется разумным приписать энергию высоте. Нужно имя для этой формы энергии? Назовите это «гравитационная потенциальная энергия». По моему мнению, концепция гравитационной потенциальной энергии была изобретена для того, чтобы объяснить этот «прирост» энергии. Действительно, это позволяет утверждать, что повышение температуры является результатом простого преобразования уже существующей энергии.

Следующий шаг включает в себя количественное определение нашей недавно изобретенной формы энергии. Имея уже количественную связь энергии с теплом и движением, мы могли бы экспериментально определить количество энергии, которое имеет объект массой 1 кг, когда его держат на высоте 1 м над землей, позволяя ему скользить по рельсу и измеряя энергию, преобразованную в формы, с которыми мы уже знакомы. Повторяя с разными массами на разных высотах, мы могли бы вывести формулу для гравитационной потенциальной энергии, которая удовлетворяет искомому закону сохранения энергии.

Я понятия не имею, в каком порядке на самом деле появились различные формулы, но я твердо верю, что это должно было быть причиной этого.

Более математический подход, основанный на той же идее, заключается в следующем. Предположим, вы определили (макроскопическую) кинетическую энергию как$\frac{1}{2}mv^2$. Используя 2-й закон движения Ньютона, вы можете доказать, что когда объект движется через постоянное гравитационное поле$g$и не подвергается никакой другой силе, количество$\frac{1}{2}mv^2+mgh$сохраняется. В поисках сохраняющейся величины вы затем определили бы все это как энергию рассматриваемого объекта и, назвав первый термин кинетической энергией, вы бы назвали второй «гравитационная потенциальная энергия».

Другими словами, энергия — это математическое понятие, определенное и масштабированное таким образом, чтобы сохраняться в изолированных системах. Между прочим, обратите внимание, что изолированная система определяется просто как система, в которой энергия сохраняется, поэтому исключение гравитационной потенциальной энергии приведет к тому, что шарик, катящийся с горки внутри закрытого и теплоизолирующего ящика, больше не будет называться изолированным, и один можно последовательно сказать, что гравитация добавляет энергии в систему. Я не знаю, является ли эта точка зрения менее достоверной, но она не является общепринятой.

В любом случае, зачем возиться с таким изобретением? Потому что в какой-то степени это позволяет предсказывать будущее. На самом деле вам не нужно сбрасывать 75-килограммовый объект по направляющей с высоты 390 м над землей, чтобы узнать, сколько кинетической и тепловой энергии будет произведено (по крайней мере, в сумме).

В общем, конечно, энергия не сохраняется, так как любое движение связано с ускорением и производит излучение, которое уходит от взаимодействия, например тепловое излучение всех тел. Но в изолированной системе энергия сохраняется, и этому есть простое классическое объяснение. Возьмем одну изолированную систему, и вы обнаружите, что важное свойство пространства состоит в том, что невозможно переместить одну массу без перемещения равной массы на то же расстояние и в противоположном направлении. То есть$\sum_i m_i dr_i =0$по любой прямой в направлении s. Мы знаем, что это правильно, потому что дифференцирование по времени для постоянной m дает$\sum_i m_i v_i=0$вдоль любой линии, и это закон сохранения импульса, который, как известно, всегда верен. Второй диф. время дает$\sum_i m_i a_i = \sum_i f_i=0$по любой линии. Это закон действия и противодействия сил, который, как известно, всегда был верным. Сохранение углового момента следует немедленно, а также сохранение энергии.

Итак, сохранение энергии есть следствие сохранения импульса. Мы отмечаем, что энергия более полезна, чем импульс, в расчетах задач, поскольку энергия — это просто число, а импульс — это вектор, который иногда (очевидно) может стремиться к нулю. Почему должен сохраняться импульс, следует воспринимать как «данность»... свойство пространства, подобное сумме углов треугольника в 180 градусов и подобно отношению длины окружности к диаметру круга в общем трехмерном пространстве.