Что такое энергия? Откуда это?

Энергия – это любая величина – число в соответствующих единицах (в системе СИ, Джоули), – которая сохраняется в результате того, что законы физики не зависят от времени, когда происходят явления, т.е. трансляционная симметрия времени. Это определение, связанное с фундаментальной теоремой Эмми Нётер , является наиболее универсальным среди точных определений понятия энергии.

Что такое «что-то»? Можно сказать, что это число с единицами, размерная величина. Я не могу сказать вам, что энергия — это картошка или другой материальный объект, потому что это не так (хотя при хранении в бензине или любом «фиксированном» материале количество энергии пропорционально количеству материала). Однако когда я определяю что-то как число , это на самом деле гораздо более точное и строгое определение, чем любое определение, включающее картофель. Числа гораздо более точны и точны, чем картофель, поэтому вся физика основана на математике, а не на приготовлении картофеля.

Столетия назад, прежде чем люди оценили фундаментальную роль математики в физике, они верили, например, что тепло — форма энергии — представляет собой материал, называемый флогистоном . Но давным-давно были проведены эксперименты, чтобы доказать, что такая картина недействительна. Эйнштейна$E=mc^2$частично возродил идею о том, что энергия эквивалентна массе, но даже массу в этой формуле следует рассматривать как число, а не как нечто, состоящее из кусочков, к которым можно «прикоснуться».

Энергия имеет много форм — терминов, составляющих общую энергию, — которые более «конкретны», чем само понятие энергии. Но сама сила концепции энергии в том, что она универсальна, а не конкретна: можно преобразовать энергию из одной формы в другую. Эта множественность форм ни в каком смысле не делает понятие энергии нечетким.

Из-за связи энергии со временем, описанной выше, абстрактное определение энергии — гамильтониан — представляет собой концепцию, которая знает все об эволюции физической системы во времени (любой физической системы). Этот факт особенно очевиден в случае квантовой механики, где гамильтониан входит в уравнения движения Шрёдингера или Гейзенберга, приравниваясь к производной состояния (или операторов) по времени.

Полная энергия сохраняется, но это полезно, потому что, несмотря на сохранение общего числа, энергия может иметь множество форм, в зависимости от контекста. Энергия полезна и позволяет нам сказать что-то о конечном состоянии из начального состояния, даже не решая точной проблемы того, как система выглядит в любой промежуточный момент.

Работа — это просто процесс, в котором энергия преобразуется из одной формы (например, энергия, запасенная в сахарах и жирах в мышцах) в другую форму (потенциальная энергия мебели, когда ее заносят на 8-й этаж по лестнице). Вот когда «работа» понимается как качественное понятие. Когда речь идет о количественном понятии, это количество энергии, которое было преобразовано из одной формы в другую; в практических приложениях мы обычно имеем в виду, что она была преобразована из мышц, электрической сети, батареи или другого «хранилища» в форму энергии, которая является «полезной» — но, конечно, эти ярлыки «полезности» не являются часть физики, они часть техники или приложений (наши субъективные оценки).

Я не думаю, что ответ тривиально прост. Я постараюсь дать объяснение. Во многих задачах физики вам даются начальное и конечное состояния системы. Вы не знаете (или, может быть, никто не знает), что происходит между этими двумя состояниями. Теперь есть величины, которые вы можете измерить до и после того, как система претерпела это изменение состояния. Вопрос в том, можете ли вы предсказать некоторые из этих величин, зная другие. Помните, что мы не знаем механизма, с помощью которого система выходит из этих двух состояний. Но если у вас есть нечто, известное как закон сохранения, проблема становится простой. (Говоря, что величина сохраняется, мы имеем в виду, что она не меняется в течение некоторого процесса). Предположим, у вас есть какая-то волшебная функция, включающая количества, который дает одно и то же значение независимо от состояния системы, тогда все готово. Значение функции мы называем энергией. И поскольку его значение не меняется между этими двумя состояниями, мы говорим, что оно сохраняется.

Это отрывок из лекций Фейнмана:

Существует факт или, если хотите, закон, управляющий всеми природными явлениями, известными на сегодняшний день. Из этого закона нет известных исключений — насколько нам известно, он точен. Закон называется законом сохранения энергии. Он утверждает, что существует определенная величина, которую мы называем энергией, которая не изменяется при многообразных изменениях, которым подвергается природа. Это самая абстрактная идея, потому что это математический принцип; он говорит, что существует числовая величина, которая не меняется, когда что-то происходит. Это не описание механизма или чего-то конкретного; это просто странный факт, что мы можем вычислить какое-то число, и когда мы заканчиваем смотреть, как природа проделывает свои уловки, и снова вычисляем число, оно остается тем же самым. (Что-то вроде слона на красном поле, и после ряда ходов — подробности неизвестны — он все еще на каком-то красном поле. Закон такого рода.)

Чтобы понять, что такое энергия, необходимо понять понятие работы.

Работу определяют как действие силы на траекторию.

Что это значит? Он описывает, как «напрягает» или «истощает» конкретное действие. Например, представьте, что вы поднимаете пакет с покупками массой$10\ \mathrm{kg}$по вертикали$1\ \mathrm m$. Это требует работы, и ровно столько, сколько вес мешка умножает на расстояние.

Энергия классически определяется как способность физической системы выполнять работу, или, другими словами, когда вы выполняете работу, вы обмениваете энергию на некоторый физический эффект, совершая работу. Или, говоря другими словами, применяя силу на расстоянии, вы превращаете энергию в работу.

В нашем примере вам нужно использовать некоторую форму энергии, чтобы поднять сумку с покупками. Количество, которое вам нужно, это именно тот объем работы, который мы рассчитали.

Что происходит с этой работой? Она снова преобразуется в энергию – в гравитационную потенциальную энергию:

или же

что является классическим определением гравитационной потенциальной энергии.

Так что на практике мы никогда не видим и не измеряем энергию напрямую. Когда энергия меняет форму, это называется работой, которую мы можем измерить. Таким образом, работа в некотором роде является «транспортной» концепцией энергии. Энергия, с другой стороны, похожа на «резервуар» потенциальной работы.

Почему энергия является полезной величиной? В конце концов, работа кажется более «фундаментальной» величиной с экспериментальной точки зрения.

Ответ на этот вопрос лежит в законе сохранения энергии. Работа сама по себе описывает изменение энергии, так что сама по себе она не является сохраняющейся величиной, если только вы не вложите ее в более общую концепцию энергии, которая сохраняется.

На самом деле, мы можем вывести большую часть классической механики, используя сохранение энергии в качестве основного принципа вместе с принципом наименьшего действия.

Предостережения

В более продвинутых теориях сохранение энергии представляет собой гораздо более сложный вопрос и применяется не так просто, как в классическом смысле. Например, в СТО энергия может быть преобразована в кажущуюся массу и наоборот.

Есть также очень интересные математические свойства потенциальной энергии и ее связь с силами и особенно с полями сил. Эти объяснения, однако, гораздо более абстрактны и математически — я предполагаю, что вам нужно интуитивное, инстинктивное объяснение того, что такое энергия.

Если вы ищете первое, см. этот вопрос .

Энергия — это удобный способ учета способности системы выполнять полезную работу. Существуют определенные современные ограничения, которые мы придаем энергии, в основном то, что полная энергия замкнутой системы всегда сохраняется (за исключением космологических эффектов), что теперь объясняется использованием симметрии и теоремы Нётер (как объясняется другими комментариями).

Чтобы попытаться получить более удовлетворительное повседневное представление об энергии, лучше всего прибегнуть к понятию полезной работы и ее учету. Мы понимаем, что прикладываем усилие (силу на расстоянии), поднимая предмет с земли на поверхность стола. Для практического учета нам необходимо понимать, сколько усилий было затрачено. Именно такого рода бухгалтерские проблемы привели первых инженеров к концепции энергии.

Энергия полезна для нас только в том случае, если она имеет возможность изменять свою текущую форму в другую форму. Один из способов изменения энергии — начать с потенциальной энергии и преобразовать ее в кинетическую энергию. Например, рассмотрим статическую энергию, запасенную в связях углерода и водорода в галлоне газа. Эта энергия связи может быть высвобождена и преобразована в полезную кинетическую энергию, например, вызывающую относительное движение автомобиля. Энергия также может переходить из кинетической энергии в потенциальную и совершать полезную работу. Представьте себе мяч, катящийся по столу; имеет кинетическую энергию. Если шарик натолкнется на пружину, сожмет ее и поймает защелка, то шарик потеряет свою кинетическую энергию, а пружина приобретет потенциальную энергию.

Если энергия находится в бесполезной для нас форме, то мы измеряем ее в терминах энтропии . В замкнутой системе с ней связано максимально возможное значение энтропии. Если энтропия системы ниже ее максимальной энтропии, то эта система «не находится в равновесии» и все еще имеет внутреннюю полезную энергию. Это означает, что внутри системы может выполняться работа по увеличению множественности состояний (что обычно интерпретируется как беспорядок) путем преобразования этой потенциальной энергии во внутреннюю кинетическую энергию.

В повседневных терминах мы думаем об энергии только с точки зрения полезной работы, которая может быть получена из нее . Поэтому, когда мы говорим о продаже энергии на энергетическом рынке, речь идет о товаре, который можно использовать для выполнения работы. Существуют разные способы хранения энергии, но когда мы покупаем определенное количество энергии, мы ожидаем, что это позволит нам выполнять определенные задачи предсказуемым образом.

Это несколько упрощенное обсуждение. Можно еще многое добавить, и необходимо несколько пояснений. Я не знаю вашего уровня понимания, поэтому я сократил свое объяснение.

Вау, это будет рискованный ответ. Однако я думаю, что вы, возможно, ищете ответ, который является более концептуальным, чем математическим или философским, так что вот:

Энергия — это изменение. То есть энергия присутствует, если мы наблюдаем, как отношения между объектами и полями каким-то образом изменяются от момента к моменту.

Тепловая энергия — это всего лишь очень мелкозернистая версия изменения, выражающаяся в движении многих молекул, среднее движение которых незначительно.

Потенциальная энергия – это возможность будущих изменений. Это требует дополнительной идеи о том, что изменение может быть поглощено какой-то способностью, похожей на пружину, храниться в течение длительного времени, а затем снова высвобождаться в будущем как явное изменение.

Этот пружинящий эффект хранения всегда, кажется, сводится к какой-то форме растяжения или сжатия полей способами, которыми они не хотят идти. Таким образом, завод старинных напольных часов с помощью ключа фиксирует явное изменение (завод) в виде интересных напряжений в связях, удерживающих атомы металла вместе. Для ядерной энергии поля другие, но концепция их растяжения или сжатия интересными способами остается почти такой же.

Наконец, в идее потенциальной энергии содержится важный намек на связь между энергией и массой. Масса в самом прямом смысле есть высшая форма потенциальной энергии. В материи энергия прошлого так хорошо защищена от высвобождения, что требуется необычный ключ — в частности, такое же количество и тип антиматерии, — чтобы полностью раскрутить ее и высвободить всю ее энергию. Что касается материи, то именно различные нерушимые правила сохранения, такие как сохранение заряда, удерживают эту энергию связанной и недоступной. Но если вдруг появится антиматерия, отменяющая блокировку, берегитесь!

Фотоны, постоянно движущиеся кванты изменяющихся электромагнитных полей, близки к тому, чтобы быть самой чистой из возможных форм энергии, с некоторыми придирками, которые я не буду здесь приводить. Неудивительно, что фотоны составляют большую часть того, что высвобождается, когда материя и антиматерия отменяют блокировку друг друга.

При этом я должен еще раз подчеркнуть, что это не математическое или философское решение. Все, что я пытаюсь донести, это то, что вся энергия связана с изменением. Это могут быть постоянные изменения, например, когда объекты движутся большими однонаправленными путями (кинетические) или микроскопическими разнонаправленными путями (тепло), или это могут быть потенциальные изменения. Последнее — это изменение, которое было зафиксировано и спрятано когда-то в прошлом с помощью полей стресса. Самая крайняя форма потенциальной энергии, в которой высвобождение энергии охраняется глубокими законами сохранения, — это то, что мы называем материей.

Энергия — это просто числовая величина, которая никогда не меняется, когда природа меняет свой курс. Это абстрактная идея может быть проиллюстрирована аналогией. И кто может заставить вас наслаждаться этим, кроме мистера Фейнмана. В своих лекциях Фейнман приводил к этому необычайную аналогию:

Представьте себе ребенка Денниса, у которого есть блоки, которые абсолютно неразрушимы и не могут быть разделены на части. Каждый такой же, как другой. Предположим, что у него 28 блоков. Его мать помещает его с его 28 кубиками в комнату в начале дня. В конце дня, из любопытства, она очень тщательно считает кубики и открывает феноменальный закон — что бы он ни делал с кубиками, всегда их остается 28! Это продолжается в течение нескольких дней, пока в один прекрасный день не остается всего 27 блоков, но небольшое исследование показывает, что под ковриком есть один — она должна искать везде, чтобы убедиться, что количество блоков не изменилось. Однако однажды число, кажется, изменилось — осталось всего 26 блоков. Тщательное расследование показывает, что окно было открыто, и, выглянув наружу, были найдены два других блока. Еще один день, тщательный подсчет показывает, что блоков 30! Это вызывает значительный ужас, пока не выясняется, что Брюс пришел в гости, принеся с собой свои блоки, и оставил несколько в доме Денниса. После того, как она избавилась от лишних блоков, она закрывает окно, не пускает Брюса, и дальше все идет хорошо, пока однажды она не считает и не находит только 25 блоков. Однако в комнате есть коробка, коробка с игрушками, и мать идет открывать коробку с игрушками, но мальчик говорит: «Нет, не открывай мою коробку с игрушками» и кричит. Матери не разрешается открывать ящик с игрушками. Будучи чрезвычайно любопытной и несколько изобретательной, она изобретает схему! Она знает, что блок весит три унции, поэтому взвешивает коробку в тот момент, когда видит 28 блоков, а она весит 16 унций. В следующий раз, когда она захочет проверить, она снова взвешивает коробку, вычитает шестнадцать унций и делит на три. Она обнаруживает следующее:

В постепенном усложнении своего мира она находит целую серию терминов, представляющих способы подсчета количества блоков в местах, куда ей не разрешено смотреть. В результате она находит сложную формулу, величину, которую нужно вычислить, которая всегда остается неизменной в ее ситуации.

Из-за вышеприведенной аналогии абстрагируется, что энергия есть такое проявление числа, которое имеет большое количество различных форм, но никогда не меняется, кроме входа и выхода...

Что ж, энергия — это только часть чего-то другого, гораздо более важного, и это называется «Действие». На бампере есть наклейка с надписью «Физика там, где действие». Одной из самых важных величин во Вселенной является постоянная Планка, и она имеет единицы действия. (Джоуль сек). Вселенная устроена таким образом, что независимо от того, как вещи перемещаются или меняют свою структуру, изменение действия отражает эффективность этого изменения. Или, лучше сказать, вероятности того, что что-то происходит или существует, можно узнать, учитывая эту величину, называемую «Действие». Из принципа наименьшего действия мы можем вывести законы сохранения для величин, известных как энергия, импульс и угловой момент, это следствие симметрии, связанной с принципом действия.

Теперь мы знаем, что из этих различных видов сохраняющихся величин энергия относится к приложению силы (милый старый сэр Исаак Ньютон вычислил это), и поэтому хорошая вещь об энергии состоит в том, что она может храниться в структурах, организуя силу сохранить. Итак, у нас есть еда и топливо. И химия. И эволюция.

Однако химики не часто используют энергию непосредственно в расчетах, они также используют своего рода принцип минимизации, который включает в себя как энергию, так и другую полезную величину, называемую энтропией, которая является мерой свободы выбора, которую мы позволяем энергии иметь — эта мера. называется «Свободная энергия», и именно это позволяет точно рассчитать, какие химические реакции будут происходить и в какой степени. Так оно и есть. Эта свободная энергия не сохраняется, Вселенная сворачивается, как большая заводная пружина.

Большой взрыв (если вы в это верите) — это просто более раннее состояние, когда плотность энергии была очень высокой. Это не обязательно означает, что Вселенная была единственной черной дырой конечного размера. Квантовая механика также говорит нам, что основное состояние есть почти у всего, включая пространство-время, поэтому, если есть вакуум, есть и энергия основного состояния. Хотя вообще не стоит пытаться создать вечный двигатель из вакуума, несмотря на легендарные страницы роликов на Youtube.

Одна вещь, которой энергия не является, это своего рода космический флюид. Это всего лишь взгляд на то, как могут происходить изменения — теория относительности Эйнштейна учит нас, что любой вид космической жидкости, включая жидкости духовного просветления, невозможен.

Причина-следствие означает, что произошло что-то асимметричное. Асимметрия тесно связана с представлением об информации, проблема передачи информации требует наличия чистого смещения в пространстве и времени. Строгость к передаче информации такая же, как и к передаче энергии, и мы обнаруживаем, что движение энергии внезапно становится движением битов! Так что знание, энергия, время и пространство должны рассматриваться в одной и той же картине.

Во-первых, связь между энергией и временем очень глубока. Мы не понимаем время полностью, но мы знаем, что наше ощущение реального времени требует осмысленной последовательности различных состояний, убрать часы, и время буквально теряет свое значение в таком контексте. Для чистой энергии каждый день — это день сурка: есть внутренний период, связанный с энергетическими состояниями, но нет ощущения последовательности.

Как «реальное» время входит в картину? Мы знаем, что в пространстве-времени есть возможность «времениподобных» интервалов между событиями, в этой зоне может устанавливаться последовательность событий, способная поддерживать причинно-следственную связь во всех системах отсчета. Но это не дает нам самих часов. Системы также запутываются при создании временного порядка, но это все неясно.

В результате получается, что так же, как существуют затраты энергии на выполнение каких-либо действий в мире, существует также «цена» существования систем в известном нам мире — аспекты этого мира должны быть непознаваемыми. Верно и обратное: если мы сталкиваемся с нестабильной системой, которую можно стабилизировать за счет высвобождения определенной энергии, то специфика этой энергии означает, что время, в которое произойдет событие, неизвестно. Мы просто не можем рассматривать такое понятие, как энергия, изолированно — без понимания природы таких понятий, как знание и время. Это пакетная сделка.

Наконец, открытые системы, по которым течет энергия, лучше способны вести часы и устанавливать временной порядок, поэтому жизнь есть явление, связанное с неустойчивыми потоками энергии.

Самое простое известное мне объяснение того, почему время течет в одном направлении, состоит в том, что события в обратном направлении «ненаблюдаемы». Я знаю, это звучит как тавтология, но если вы покажете, почему они ненаблюдаемы, у вас будет лучшее объяснение. Точно так же положительная наблюдаемая энергия может иметь в своем отрицательном аналоге причину, по которой она ненаблюдаема, но сейчас я действительно не имею права комментировать, я уже сильно превысил свои пределы.

Любое понятие в физике — энергия, масса, энтропия — явно определяется набором математических соотношений для этого понятия. Любое лингвистическое определение понятия является попыткой дать физическое понимание понятия. Например, для силы одним лингвистическим определением является «Описание взаимодействия, которое вызывает изменение движения объекта». Для меня это определение бесполезно, если я не понимаю математическое определение, определяемое как F = ma, и то, как оно используется в приложениях.

Для такого широкого понятия, как энергия, лингвистическое определение обязательно должно быть довольно расплывчатым, и чтобы понять такое определение, вам необходимо понять математические отношения для энергии и их использование в приложениях.

Для базового понимания энергии мне нравится простое определение энергии, данное в старом учебнике по инженерной термодинамике. «Энергия — это способность, скрытая или явная, проявлять силу на расстоянии». Оберт и Янг, Элементы термодинамики и теплопередачи. Для определенной системы в базовой термодинамике мы рассматриваем внутреннюю энергию, энергию, поступающую/исходящую из системы за счет работы и/или тепла, и энергию, поступающую/исходящую из системы за счет массопереноса. [Внутреннюю энергию иногда называют «теплотой», но это технически неверно с точки зрения термодинамики. Теплота — это энергия, которая пересекает границу системы без переноса массы исключительно за счет разницы температур.

Со временем концепция энергии была расширена, чтобы включить энергию массы покоя, энергию поля и так далее, чтобы сохранить концепцию сохранения энергии. Итак, опять же, лингвистическая концепция должна быть очень широкой/расплывчатой, чтобы учесть такие соображения.

Надеюсь это поможет.

Что такое энергия?
Энергия – это способность системы совершать работу.

Откуда это взялось?
Обычно она поступает из другого источника энергии, поскольку энергия преобразуется из одной формы в другую .

Откуда оно в конечном счете ?
Этот мой друг - это вопрос для MetaPhysics .stackexchange.com, которого, к сожалению, на данный момент не существует. Возможно, вы захотите перейти к Area51 с предложением.