Сохранение энергии

Эта статья о законе сохранения энергии в физике. Информацию об устойчивых энергетических ресурсах см. в разделе «Энергосбережение» .

Закон сохранения энергии гласит, что полная энергия остается изолированной системы постоянной; Говорят, что он сохраняется с течением времени. В случае закрытой системы принцип гласит, что общее количество энергии внутри системы может быть изменено только за счет поступления или выхода энергии из системы. Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена; скорее, его можно только трансформировать или перевести из одной формы в другую. Например, химическая энергия преобразуется в при кинетическую энергию шашки взрыве динамитной . Если сложить все формы энергии, выделившиеся при взрыве, такие как кинетическая энергия и потенциальная энергия кусков, а также тепло и звук, то получится точное уменьшение химической энергии при сгорании динамита.

Классически сохранение энергии отличалось от сохранения массы . Однако специальная теория относительности показывает, что масса связана с энергией и наоборот соотношением $E=mc^{2}$, уравнение, представляющее эквивалентность массы и энергии , и наука теперь придерживается мнения, что масса-энергия в целом сохраняется. Теоретически это означает, что любой объект, обладающий массой, сам может быть преобразован в чистую энергию, и наоборот. Однако считается, что это возможно только при самых экстремальных физических условиях, которые, вероятно, существовали во Вселенной вскоре после Большого взрыва или когда черные дыры испускают излучение Хокинга .

Учитывая принцип стационарного действия , сохранение энергии может быть строго доказано теоремой Нётер как следствие симметрии непрерывного перемещения во времени ; то есть от того, что законы физики не меняются со временем.

Следствием закона сохранения энергии является то, что вечный двигатель первого рода не может существовать; иными словами, ни одна система без внешнего источника энергии не может доставлять неограниченное количество энергии в окружающую среду. В зависимости от определения энергии, сохранение энергии, возможно, может быть нарушено общей теорией относительности в космологическом масштабе.

История

Древние философы еще Фалес Милетский ок. В 550 г. до н.э. возникли подозрения о сохранении некой основной субстанции, из которой все сделано. Однако нет особых оснований отождествлять их теории с тем, что мы знаем сегодня как «массу-энергию» (например, Фалес считал, что это вода). Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) писал, что в его универсальной системе, состоящей из четырех корней (земля, воздух, вода, огонь), «ничто не возникает и не исчезает»; вместо этого эти элементы постоянно перестраиваются. Эпикур ( ок. 350 г. до н.э.), с другой стороны, считал, что все во вселенной состоит из неделимых единиц материи – древнего предшественника «атомов» – и он тоже имел некоторое представление о необходимости сохранения, заявляя, что «сумма совокупность вещей всегда была такой, какая она есть сейчас, и такой она всегда останется».

В 1605 году фламандский учёный Саймон Стевин смог решить ряд задач статики, основываясь на принципе вечного двигателя невозможности .

В 1639 году Галилей опубликовал свой анализ нескольких ситуаций, включая знаменитый «прерванный маятник», который можно описать (современным языком) как консервативное преобразование потенциальной энергии в кинетическую и обратно. По сути, он указал, что высота, с которой поднимается движущееся тело, равна высоте, с которой оно падает, и использовал это наблюдение, чтобы вывести идею инерции. Замечательным моментом этого наблюдения является то, что высота, на которую поднимается движущееся тело по поверхности без трения, не зависит от формы поверхности.

В 1669 году Христиан Гюйгенс опубликовал свои законы столкновений. Среди величин, которые он перечислил как инвариантные до и после столкновения тел, были как сумма их линейных импульсов , так и сумма их кинетических энергий. Однако в то время не была понята разница между упругим и неупругим столкновением. Это привело к спору между более поздними исследователями о том, какая из этих сохраняющихся величин является более фундаментальной. В своем «Horologium Oscillatorium» он дал гораздо более четкое утверждение относительно высоты подъема движущегося тела и связал эту идею с невозможностью вечного двигателя. Исследование Гюйгенсом динамики движения маятника было основано на единственном принципе: центр тяжести тяжелого объекта не может подняться сам.

Готфрид Лейбниц

Между 1676 и 1689 годами Готфрид Лейбниц впервые предпринял математическую формулировку вида энергии, связанной с движением (кинетической энергии). Используя работу Гюйгенса о столкновениях, Лейбниц заметил, что во многих механических системах (с несколькими m i _, каждая со скоростью vi _{массами} ),

$\sum _{i}m_{i}v_{i}^{2}$

сохранялась до тех пор, пока массы не взаимодействовали. Он назвал эту величину vis viva или жизненной силой системы. Этот принцип представляет собой точное утверждение приблизительного сохранения кинетической энергии в ситуациях, когда трение отсутствует. Многие физики того времени, в том числе Исаак Ньютон , считали, что сохранение импульса , которое имеет место даже в системах с трением, определяется импульсом :

$\sum _{i}m_{i}v_{i}$

был сохранен vis viva . Позже было показано, что обе величины сохраняются одновременно при соответствующих условиях, например при упругом столкновении .

В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал свои «Начала» , в которых изложил свои законы движения . Оно было организовано вокруг концепции силы и импульса. Однако исследователи быстро осознали, что принципы, изложенные в книге, хотя и хороши для точечных масс, недостаточны для решения движений твердых и жидких тел. Требовались и некоторые другие принципы.

К 1690-м годам Лейбниц утверждал, что сохранение vis viva и сохранение импульса подорвало популярную в то время философскую доктрину интеракционистского дуализма . (В XIX веке, когда сохранение энергии стало лучше пониматься, основной аргумент Лейбница получил широкое признание. Некоторые современные ученые продолжают отстаивать нападки на дуализм, основанные именно на сохранении энергии, в то время как другие сводят этот аргумент к более общему аргументу о причинной замкнутости . )

Даниэль Бернулли

Закон сохранения vis viva отстаивали дуэт отца и сына, Иоганн и Даниэль Бернулли . Первый изложил принцип виртуальной работы , используемый в статике, во всей его общности в 1715 году, тогда как второй основал свою «Гидродинамику» , опубликованную в 1738 году, на этом единственном принципе сохранения vis viva. Исследование Даниэля потери vis viva текущей воды привело его к формулировке принципа Бернулли , который утверждает, что потери пропорциональны изменению гидродинамического давления. Дэниел также сформулировал понятие работы и эффективности гидравлических машин; он дал кинетическую теорию газов и связал кинетическую энергию молекул газа с температурой газа.

Это внимание континентальных физиков к vis viva в конечном итоге привело к открытию принципов стационарности, управляющих механикой, таких как принцип Даламбера , лагранжевы и гамильтоновы формулировки механики.

Эмили дю Шатле

Эмили дю Шатле (1706–1749) предложила и проверила гипотезу сохранения полной энергии в отличие от импульса. Вдохновленная теориями Готфрида Лейбница, она повторила и опубликовала эксперимент, первоначально разработанный Виллемом Гравесандой в 1722 году, в котором шары сбрасывались с разной высоты на лист мягкой глины. Было показано, что кинетическая энергия каждого шара, на которую указывает количество вытесненного материала, пропорциональна квадрату скорости. Было обнаружено, что деформация глины прямо пропорциональна высоте, с которой были сброшены шарики, равной начальной потенциальной энергии. Некоторые более ранние исследователи, в том числе Ньютон и Вольтер, считали, что «энергия» неотличима от импульса и, следовательно, пропорциональна скорости. Согласно этому пониманию, деформация глины должна была быть пропорциональна квадратному корню из высоты, с которой были сброшены шары. В классической физике правильная формула: $E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}$, где $E_{k}$ - кинетическая энергия объекта, $m$ его масса и $v$ его скорость . На этом основании Дю Шатле предположил, что энергия всегда должна иметь одни и те же измерения в любой форме, что необходимо для того, чтобы иметь возможность рассматривать ее в разных формах (кинетической, потенциальной, тепловой,...).

Такие инженеры , как Джон Смитон , Питер Юарт , Карл Хольцман , Гюстав-Адольф Хирн и Марк Сеген признали, что сохранения импульса одного недостаточно для практических вычислений, и использовали принцип Лейбница. Этот принцип также отстаивали некоторые химики , такие как Уильям Хайд Волластон . Такие ученые, как Джон Плейфэр, сразу же отметили, что кинетическая энергия явно не сохраняется. Это очевидно для современного анализа, основанного на втором законе термодинамики , но в XVIII и XIX веках судьба потерянной энергии была еще неизвестна.

Постепенно стали подозревать, что тепло, неизбежно порождаемое движением при трении, является еще одной формой vis viva . В 1783 году Антуан Лавуазье и Пьер-Симон Лаплас рассмотрели две конкурирующие теории: vis viva и теорию калорийности . Наблюдения графа Румфорда за выделением тепла во время растачивания пушек, сделанные в 1798 году , добавили веса точке зрения о том, что механическое движение может быть преобразовано в тепло и (что это важно) что это преобразование было количественным и могло быть предсказано (позволяя универсальное преобразование константа между кинетической энергией и теплотой). Затем Vis viva стали называть энергией , после того как этот термин был впервые использован в этом смысле Томасом Янгом в 1807 году.

Гаспар-Гюстав Кориолис

Перекалибровка vis viva на

${\frac {1}{2}}\sum _{i}m_{i}v_{i}^{2}$

которое можно понимать как преобразование кинетической энергии в работу , во многом было результатом Гаспара-Гюстава Кориолиса и Жана-Виктора Понселе в период 1819–1839 годов. Первый называл количество quantité de travail (количество работы), а второй — travail mécanique (механическая работа), и оба выступали за его использование в инженерных расчетах.

В статье Über die Natur der Wärme (нем. «О природе тепла/теплоты»), опубликованной в Zeitschrift für Physik в 1837 году, Карл Фридрих Мор дал одно из первых общих утверждений доктрины сохранения энергии: кроме 54 известных химических элементов, в физическом мире есть только один агент, и это называется Крафт [энергия или работа]. В зависимости от обстоятельств он может проявляться как движение, химическое сродство, сцепление, электричество, свет и магнетизм; из любой из этих форм оно может быть преобразовано в любую из других».

Механический эквивалент тепла

Ключевым этапом в развитии современного принципа сохранения стала демонстрация механического эквивалента тепла . Теория теплорода утверждала, что тепло не может быть ни создано, ни уничтожено, тогда как сохранение энергии влечет за собой противоположный принцип, согласно которому тепло и механическая работа взаимозаменяемы.

В середине восемнадцатого века Михаил Ломоносов , русский учёный, постулировал свою корпускуло-кинетическую теорию теплоты, отвергавшую идею теплорода. По результатам эмпирических исследований Ломоносов пришел к выводу, что теплота не переносится через частицы тепловой жидкости.

В 1798 году граф Румфорд ( Бенджамин Томпсон ) провел измерения теплоты трения, выделяющейся в сверлильных пушках, и развил идею, что тепло — это форма кинетической энергии; его измерения опровергли теорию калорийности, но были достаточно неточными, чтобы оставить место для сомнений.

Джеймс Прескотт Джоуль

Принцип механической эквивалентности в современной форме был впервые сформулирован немецким хирургом Юлиусом Робертом фон Майером в 1842 году. Майер пришел к такому выводу во время путешествия в Голландскую Ост-Индию , где он обнаружил, что кровь его пациентов была более темно-красной, потому что они потребляли меньше кислорода и, следовательно, меньше энергии для поддержания температуры своего тела в более жарком климате. Он обнаружил, что теплота и механическая работа являются формами энергии, и в 1845 году, улучшив свои познания в физике, опубликовал монографию, в которой установила количественную связь между ними.

Аппарат Джоуля для измерения механического эквивалента теплоты. Опускающийся груз, прикрепленный к веревке, заставляет весло, погруженное в воду, вращаться.

Тем временем в 1843 году Джеймс Прескотт Джоуль независимо открыл механический эквивалент в серии экспериментов. В одном из них, теперь называемом «аппаратом Джоуля», опускающийся груз, прикрепленный к веревке, заставлял вращаться весло, погруженное в воду. Он показал, что потенциальная гравитационная энергия, теряемая грузом при спуске, равна внутренней энергии, полученной водой за счет трения о весло.

В период 1840–1843 подобные работы проводил инженер Людвиг А. Колдинг , хотя они были мало известны за пределами его родной Дании.

Работы Джоуля и Майера страдали от сопротивления и пренебрежения, но именно работа Джоуля в конечном итоге получила более широкое признание.

О споре между Джоулем и Майером по поводу приоритета см. Механический эквивалент тепла: Приоритет .

В 1844 году валлийский учёный Уильям Роберт Гроув постулировал связь между механикой, теплом, светом , электричеством и магнетизмом , рассматривая их всех как проявления единой «силы» ( энергии в современном понимании). В 1846 году Гроув опубликовал свои теории в книге «Корреляция физических сил» . В 1847 году, опираясь на более ранние работы Джоуля, Сади Карно и Эмиля Клапейрона , Герман фон Гельмгольц пришел к выводам, аналогичным выводам Гроува, и опубликовал свои теории в своей книге Über die Erhaltung der Kraft ( «О сохранении силы» , 1847). Общее современное признание этого принципа проистекает из этой публикации.

В 1850 году шотландский математик Уильям Рэнкин впервые использовал фразу «закон сохранения энергии» в качестве основного принципа.

В 1877 году Питер Гатри Тейт заявил, что этот принцип принадлежит сэру Исааку Ньютону и основан на творческом прочтении положений 40 и 41 «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica» . Сейчас это считается примером истории вигов .

Эквивалент массы и энергии

Основная статья: Эквивалентность массы и энергии

Материя состоит из атомов и того, что образует атомы. Материя имеет собственную массу , или покоя массу . В ограниченном диапазоне признанного опыта девятнадцатого века было обнаружено, что такая масса покоя сохраняется. теория относительности Эйнштейна 1905 года Специальная показала, что масса покоя соответствует эквивалентному количеству энергии покоя . Это означает, что масса покоя может быть преобразована в или из эквивалентных количеств (нематериальных) форм энергии, например, кинетической энергии, потенциальной энергии и энергии электромагнитного излучения . Когда это происходит, как показывает опыт двадцатого века, масса покоя не сохраняется, в отличие от общей массы или полной энергии. Все формы энергии вносят свой вклад в общую массу и общую энергию.

Например, электрон и позитрон имеют массу покоя. Они могут погибнуть вместе, превратив свою совокупную энергию покоя в фотоны , обладающие электромагнитной лучистой энергией, но не имеющие массы покоя. Если это произойдет внутри изолированной системы, не выделяющей фотонов и их энергии во внешнюю среду, то ни общая масса , ни полная энергия системы не изменятся. Произведенная электромагнитная лучистая энергия вносит такой же вклад в инерцию (и любой вес) системы, как и остальная масса электрона и позитрона до их гибели. Аналогично, нематериальные формы энергии могут превратиться в материю, имеющую массу покоя.

Таким образом, сохранение энергии ( общей , включая материальную или энергию покоя ) и сохранение массы ( общей , а не только покоя ) являются одним (эквивалентным) законом. В XVIII веке они представляли собой два, казалось бы, разных закона.

Сохранение энергии при бета-распаде

Основная статья: Бета-распад § Нейтрино

Открытие в 1911 году того, что электроны, испускаемые при бета-распаде, имеют непрерывный, а не дискретный спектр, по-видимому, противоречило закону сохранения энергии при тогдашнем предположении, что бета-распад представляет собой простое испускание электрона из ядра. Эта проблема была в конечном итоге решена в 1933 году Энрико Ферми , который предложил правильное описание бета-распада как испускание как электрона, так и антинейтрино , которое уносит явно недостающую энергию.

Первый закон термодинамики

Основная статья: Первый закон термодинамики

Смотрите также: Первый закон термодинамики (механика жидкости)

Для закрытой термодинамической системы первый закон термодинамики можно сформулировать так:

$\delta Q=\mathrm {d} U+\delta W$или, что то же самое, $\mathrm {d} U=\delta Q-\delta W,$

где $\delta Q$ количество энергии, добавляемой в систему в процессе нагрева , $\delta W$ - количество энергии, теряемой системой из-за работы, совершаемой системой с окружающей средой, и $\mathrm {d} U$ – это изменение внутренней энергии системы.

Символы δ перед терминами теплоты и работы используются для обозначения того, что они описывают приращение энергии, которое следует интерпретировать несколько иначе, чем $\mathrm {d} U$ приращение внутренней энергии (см. Неточный дифференциал ). Работа и тепло относятся к видам процессов, которые добавляют или вычитают энергию из системы, тогда как внутренняя энергия $U$ – это свойство определенного состояния системы, когда она находится в неизменном термодинамическом равновесии. Таким образом, термин «тепловая энергия» для $\delta Q$ означает «количество энергии, добавленной в результате нагрева», а не относится к определенной форме энергии. Аналогично, термин «рабочая энергия» для $\delta W$ означает «то количество энергии, потерянное в результате работы». Таким образом, можно определить количество внутренней энергии, которой обладает термодинамическая система, которая, как известно, находится в данный момент в данном состоянии, но невозможно сказать, просто зная о данном настоящем состоянии, сколько энергии в прошлом перетекло в нее или из нее. системы в результате ее нагрева или охлаждения, а также в результате работы, выполняемой системой или ею.

Энтропия — это функция состояния системы, которая говорит об ограничениях возможности преобразования тепла в работу.

Для простой сжимаемой системы работу, совершаемую системой, можно записать:

$\delta W=P\,\mathrm {d} V,$

где $P$ это давление и $dV$ – это небольшое изменение объема системы , каждая из которых является системной переменной. В вымышленном случае, когда процесс идеализирован и бесконечно медленный, поэтому его можно назвать квазистатическим и рассматривать как обратимый, а тепло передается от источника с температурой бесконечно выше температуры системы, тепловую энергию можно записать

$\delta Q=T\,\mathrm {d} S,$

где $T$ это температура и $\mathrm {d} S$ представляет собой небольшое изменение энтропии системы. Температура и энтропия являются переменными состояния системы.

Если открытая система (в которой возможен обмен массой с окружающей средой) имеет несколько стенок, так что массоперенос осуществляется через жесткие стенки, отделенные от передачи тепла и работы, то первый закон можно записать как

$\mathrm {d} U=\delta Q-\delta W+\sum _{i}h_{i}\,dM_{i},$

где $dM_{i}$ это добавленная масса видов $i$ и $h_{i}$ - соответствующая энтальпия на единицу массы. Обратите внимание, что обычно $dS\neq \delta Q/T$ в данном случае, поскольку материя несет в себе собственную энтропию. Вместо, $dS=\delta Q/T+\textstyle {\sum _{i}}s_{i}\,dM_{i}$, где $s_{i}$ - энтропия на единицу массы типа $i$, из которого мы восстанавливаем фундаментальное термодинамическое соотношение

$\mathrm {d} U=T\,dS-P\,dV+\sum _{i}\mu _{i}\,dN_{i}$

потому что химический потенциал $\mu _{i}$ - частичная молярная свободная энергия Гиббса частиц $i$ и свободная энергия Гиббса $G\equiv H-TS$.

Теорема Нётер

Основная статья: теорема Нётер

Эмми Нётер (1882–1935) была влиятельным математиком, известным своим новаторским вкладом в абстрактную алгебру и теоретическую физику .

Сохранение энергии является общей чертой многих физических теорий. С математической точки зрения это понимается как следствие теоремы Нётер , разработанной Эмми Нётер в 1915 году и впервые опубликованной в 1918 году. В любой физической теории, подчиняющейся принципу стационарного действия, теорема утверждает, что каждая непрерывная симметрия имеет связанную с ней сохраняющееся количество; если симметрия теории является неизменной во времени, то сохраняющаяся величина называется «энергией». Закон сохранения энергии является следствием сдвиговой симметрии времени; сохранение энергии подразумевается из эмпирического факта, что законы физики не меняются со временем. Философски это можно сформулировать так: «от времени как такового ничего не зависит». Другими словами, если физическая система инвариантна относительно непрерывной симметрии перевода времени , то ее энергия (которая является канонической величиной, сопряженной со временем) сохраняется. И наоборот, системы, которые не инвариантны относительно сдвигов во времени (например, системы с зависящей от времени потенциальной энергией), не демонстрируют сохранения энергии – если только мы не считаем, что они обмениваются энергией с другой, внешней системой, так что теория расширенной системы становится временем. -инвариант снова. Сохранение энергии для конечных систем справедливо в физических теориях, таких как специальная теория относительности и квантовая теория (включая КЭД ) в плоском пространстве-времени .

Специальная теория относительности

С открытием специальной теории относительности Анри Пуанкаре и Альбертом Эйнштейном энергия была предложена как компонент 4-вектора энергии-импульса . Каждый из четырех компонентов (один из энергии и три из импульса) этого вектора по отдельности сохраняются во времени в любой замкнутой системе, если смотреть из любой заданной инерциальной системы отсчета . Также сохраняется длина вектора ( норма Минковского ), которая представляет собой массу покоя для одиночных частиц, и инвариантную массу для систем частиц (где импульсы и энергия суммируются отдельно перед вычислением длины).

Релятивистская энергия одиночной массивной частицы помимо кинетической энергии движения содержит член, связанный с ее массой покоя. В пределе нулевой кинетической энергии (или, что то же самое, в системе покоя ) массивной частицы или же в центре системы импульса для объектов или систем, которые сохраняют кинетическую энергию, полная энергия частицы или объекта (включая внутреннюю кинетическую энергию в системах) пропорциональна массе покоя или инвариантной массе, как описывается уравнением $E=mc^{2}$.

Таким образом, правило сохранения энергии во времени в специальной теории относительности продолжает действовать до тех пор, пока система отсчета наблюдателя остается неизменной. Это относится к полной энергии систем, хотя разные наблюдатели расходятся во мнениях относительно значения энергии. Также сохраняется и инвариантна для всех наблюдателей инвариантная масса, которая представляет собой минимальную массу и энергию системы, которые может видеть любой наблюдатель и которая определяется соотношением энергия-импульс .

Общая теория относительности

Общая теория относительности открывает новые явления. В расширяющейся Вселенной фотоны спонтанно смещаются в красную область, а привязи спонтанно натягиваются; если энергия вакуума положительна, общая энергия вакуума Вселенной, по-видимому, самопроизвольно увеличивается по мере увеличения объема пространства. Некоторые ученые утверждают, что энергия больше не сохраняется в какой-либо идентифицируемой форме.

Джона Баэза По мнению , сохранение энергии-импульса не является четко определенным, за исключением некоторых особых случаев. Энергия-импульс обычно выражается с помощью псевдотензора напряжение-энергия-импульс . Однако, поскольку псевдотензоры не являются тензорами, они не могут плавно трансформироваться между опорными кадрами. Если рассматриваемая метрика статична (то есть не меняется со временем) или асимптотически плоская (то есть на бесконечном расстоянии пространство-время выглядит пустым), то сохранение энергии выполняется без серьезных ошибок. На практике некоторые метрики, в частности метрика Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера , которая, по-видимому, управляет Вселенной, не удовлетворяют этим ограничениям, а сохранение энергии не определено четко. Помимо зависимости от системы координат, энергия псевдотензора зависит от типа используемого псевдотензора; например, внешняя энергия черной дыры Керра-Ньюмана в два раза больше при расчете с использованием псевдотензора Мёллера, чем при расчете с использованием псевдотензора Эйнштейна .

Для асимптотически плоских вселенных Эйнштейн и другие спасают сохранение энергии, вводя особую глобальную гравитационную потенциальную энергию, которая компенсирует изменения массы и энергии, вызванные расширением или сжатием пространства-времени. Эта глобальная энергия не имеет четко определенной плотности и технически не может быть применена к неасимптотически плоской Вселенной; однако для практических целей это можно усовершенствовать, и поэтому, согласно этой точке зрения, энергия сохраняется в нашей Вселенной. Алан Гут заявил, что Вселенная может быть «настоящим бесплатным обедом», и предположил, что с учетом гравитационной потенциальной энергии чистая энергия Вселенной равна нулю .

Квантовая теория

В квантовой механике энергия квантовой системы описывается самосопряженным ( или эрмитовым) оператором, называемым гамильтонианом , который действует в гильбертовом пространстве (или пространстве волновых функций ) системы. Если гамильтониан является независимым от времени оператором, вероятность появления результата измерения не меняется во времени в ходе эволюции системы. Таким образом, математическое ожидание энергии также не зависит от времени. Сохранение локальной энергии в квантовой теории поля обеспечивается квантовой теоремой Нётер для оператора тензора энергии-импульса. Таким образом, энергия сохраняется в результате нормальной унитарной эволюции квантовой системы.

Однако когда применяется неунитарное правило Борна , энергия системы измеряется с энергией, которая может быть ниже или выше ожидаемого значения, если система не находилась в собственном энергетическом состоянии. (Для макроскопических систем этот эффект обычно слишком мал, чтобы его можно было измерить.) Расположение этой энергетической щели не совсем понятно; большинство физиков полагают, что энергия передается в макроскопическую среду или из нее в ходе процесса измерения, в то время как другие полагают, что наблюдаемая энергия сохраняется только «в среднем». Ни один эксперимент не был подтвержден как окончательное доказательство нарушения принципа сохранения энергии в квантовой механике, но это не исключает того, что некоторые новые эксперименты, как это предлагается, могут обнаружить доказательства нарушений принципа сохранения энергии в квантовой механике.

Статус

В контексте вечных двигателей, таких как « Орбо» , профессор Эрик Эш заявил на BBC : «Отрицание [сохранения энергии] подорвет не только небольшие кусочки науки – все здание исчезнет. который мы построили, современный мир лежал бы в руинах». Именно из-за сохранения энергии «мы знаем – без необходимости изучения деталей конкретного устройства – что Орбо не может работать».

Сохранение энергии было основополагающим физическим принципом вот уже около двухсот лет. С точки зрения современной общей теории относительности лабораторную среду можно хорошо аппроксимировать пространством-временем Минковского , где энергия точно сохраняется. Всю Землю можно хорошо аппроксимировать метрикой Шварцшильда , где энергия снова точно сохраняется. Учитывая все экспериментальные данные, любая новая теория (например, квантовая гравитация ), чтобы добиться успеха, должна будет объяснить, почему энергия всегда точно сохраняется в земных экспериментах. В некоторых умозрительных теориях поправки к квантовой механике слишком малы, чтобы их можно было обнаружить где-то рядом с текущим уровнем ТэВ , доступным через ускорители частиц. Модели двойной специальной теории относительности могут служить аргументом в пользу нарушения закона сохранения энергии-импульса для частиц с достаточной энергией; такие модели ограничены наблюдениями о том, что космические лучи, по-видимому, путешествуют в течение миллиардов лет, не проявляя аномального несохраняющего поведения. Некоторые интерпретации квантовой механики утверждают, что наблюдаемая энергия имеет тенденцию увеличиваться при применении правила Борна из-за локализации волновой функции. Если это правда, можно ожидать, что объекты будут самопроизвольно нагреваться; таким образом, такие модели ограничены наблюдениями за большими холодными астрономическими объектами, а также наблюдениями за лабораторными экспериментами (часто переохлажденными).

Милтон А. Ротман писал, что закон сохранения энергии был подтвержден экспериментами ядерной физики с точностью до одной миллиардной части (10 ¹⁵ ). Затем он определяет его точность как «идеальную для всех практических целей».

См. также

• Качество энергии
• Преобразование энергии
• Лагранжева механика
• Законы термодинамики
• Вселенная с нулевой энергией

Библиография

Современные аккаунты

• Гольдштейн, Мартин и Инге Ф. (1993). Холодильник и Вселенная . Гарвардский университет. Нажимать. Нежное знакомство.
• Кремер, Герберт; Киттель, Чарльз (1980). Теплофизика (2-е изд.) . Компания WH Freeman. ISBN  978-0-7167-1088-2 .
• Нолан, Питер Дж. (1996). Основы студенческой физики, 2-е изд . Издательство Уильяма К. Брауна.
• Окстоби и Нахтриб (1996). Принципы современной химии, 3-е изд . Издательство Колледжа Сондерса.
• Папино, Д. (2002). Мысли о Сознании . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета.
• Сервей, Раймонд А.; Джуэтт, Джон В. (2004). Физика для ученых и инженеров (6-е изд.) . Брукс/Коул. ISBN  978-0-534-40842-8 .
• Стенджер, Виктор Дж. (2000). Вечная реальность . Книги Прометея. Особенно чпт. 12. Нетехническое.
• Типлер, Пол (2004). Физика для ученых и инженеров: Механика, колебания и волны, Термодинамика (5-е изд.) . У. Х. Фриман. ISBN  978-0-7167-0809-4 .
• Ланцос , Корнелиус (1970). Вариационные принципы механики . Торонто: Университет Торонто Press. ISBN  978-0-8020-1743-7 .

История идей

• Браун, ТМ (1965). «Ресурсное письмо EEC-1 об эволюции энергетических концепций от Галилея до Гельмгольца». Американский журнал физики . 33 (10): 759–765. Бибкод : 1965AmJPh..33..759B . дои : 10.1119/1.1970980 .
• Кардуэлл, DSL (1971). От Ватта до Клаузиуса: развитие термодинамики в раннеиндустриальную эпоху . Лондон: Хайнеманн. ISBN  978-0-435-54150-7 .
• Гильен, М. (1999). Пять уравнений, которые изменили мир . Нью-Йорк: Абакус. ISBN  978-0-349-11064-6 .
• Хиберт, EN (1981). Исторические корни принципа сохранения энергии . Мэдисон, Висконсин: Паб Ayer Co. ISBN  978-0-405-13880-5 .
• Кун, Т.С. (1957) «Сохранение энергии как пример одновременного открытия», в книге М. Клагетта (ред.) « Критические проблемы в истории науки», стр. 321–56.
• Сартон, Г.; Джоуль, JP; Карно, Сади (1929). «Открытие закона сохранения энергии». Исида . 13 : 18–49. дои : 10.1086/346430 . S2CID   145585492 .
• Смит, К. (1998). Наука об энергии: культурная история энергетической физики в викторианской Британии . Лондон: Хайнеманн. ISBN  978-0-485-11431-7 .
• Мах, Э. (1872). История и корни принципов сохранения энергии . Паб «Открытый двор». Ко, Иллинойс.
• Пуанкаре, Х. (1905). Наука и гипотеза . Вальтер Скотт Паблишинг Ко. Лтд.; Перепечатка Дувра, 1952. ISBN.  978-0-486-60221-9 . , Глава 8, «Энергия и термодинамика»

Внешние ссылки

• MISN-0-158 Первый закон термодинамики ( PDF-файл ), автор: Ежи Борисович для проекта PHYSNET .