— Published on 28/03/2021 / Bug.hr.
Uz prostor, vrijeme i tvar, energija je najvažnija koncepcija u fizici; no koliko je važna toliko je i apstraktna pa je laiku često nejasna; upravo je zato prodavačima magle jedna od ključnih riječi
Udžbenici fizike, od osnovne škole do tehničkih fakulteta, energiju uvode kao "sposobnost tijela da obavi rad". Više kolokvijalno, mogli bismo reći da tijelo koje ima energiju "može nešto napraviti". Jako neodređeno, zar ne?
Ta neodređenost posljedica je miješanja pojmova iz općeg jezika s pojmovima iz fizike. U općem jeziku riječ može imati više značenja i često se značenje može odrediti tek iz konteksta. U fizici su svi pojmovi, u ovom slučaju rad i energija, vrlo precizno i jednoznačno određeni. Nema sinonima, nema dvosmislenosti, nema nedorečenosti.
Ako energiju uvodimo preko rada (što nije jedina mogućnost, ali je pedagoški najzgodnija), treba prvo definirati rad. U mehaničkom sustavu rad je umnožak sile i pomaka. Kasnije se u fizici pojam rada proširuje pa je, primjerice, rad u termodinamičkom sustavu umnožak tlaka i volumena, rad u električnom sustavu umnožak napona i naboja, i tako dalje. Zasad se držimo mehaničkog sustava jer smo silu i pomak već precizno definirali pa, na temelju njih, zgradu fizike možemo sustavno graditi dalje, kat po kat. Dakle, ako tijelo na nekom putu djeluje na drugo tijelo nekom silom onda to prvo tijelo obavlja rad. Koliki rad tijelo obavi, toliko mu se smanji energija. I obrnuto, ako na tijelo na nekom putu djeluje vanjska sila onda ta vanjska sila obavlja rad nad tijelom. Koliki rad vanjska sila obavi, toliko se tijelu poveća energija.
U svakom slučaju, ono što opažamo i što možemo mjeriti, je transfer (ili prijenos) energije. Njega, ovisno o kontekstu, nazivamo rad ili toplina. Sva događanja, preciznije rečeno: sve promjene u fizičkim sustavima, možemo opisati prenošenjem energije. Ako nema prenošenja energije, nema ni događanja. Richard Feynman dao je lijepu analogiju između energije i novca. Rekao je da je energija "novac svemira", jer prijenos energije pokreće događanja u svemiru kao što prijenos novca pokreće događanja oko nas ("Pare, pare pokreću svijet, politiku i nogomet" pjevalo je Zabranjeno pušenje).
Analogija s novcem ima zgodan dodatak. Pokupio sam ga na stranici o nerazumijevanju znanstvenih naziva neprofitne organizacije Davidson Institute of Science Education: ljudi koji nude energijske tretmane ili dijagnoze pa govore o "skrivenim energijskim kanalima", "energijskim frekvencijama", "energijskoj mreži" zapravo govore o transferu, ali ne energije nego novca, iz vaših u njihove džepove.
Oblici energije
Vratimo se primjeru tijela na koje djeluje vanjska sila, na nekom putu. Ako je sila stalna i u smjeru puta onda je rad jednostavno umnožak iznosa sile i iznosa puta. To je razina osnovne škole. U srednjoj školi se razmatra općenitiji slučaj u kojem sila ne djeluje u smjeru pomaka nego pod nekim kutom u odnosu na pomak (i sila i pomak su vektori koji leže na nekim pravcima, a ti pravci zatvaraju neki kut). Tada je rad umnožak iznosa sile, iznosa puta i kosinusa kuta. To je razina srednje škole. Konačno, ako sila nije konstantna, nego se mijenja uzduž puta, onda je rad integral skalarnog umnoška vektora sile i vektora diferencijala pomaka. To je razina tehničkog fakulteta. Razlika je samo u matematici.
Na kojoj god razini razmatrali problem, u konačnici imamo neki rad koji obavi vanjska sila, a iznos tog rada odgovara iznosu povećanja energije tijela. S druge strane, prema drugom Newtonovom zakonu sila tijelu daje ubrzanje što znači da se tijelo mijenja brzinu. Na početku (prije djelovanja sile) imalo je jednu brzinu, a na kraju (po završetku djelovanja sile) ima drugu brzinu. Zaključak: to povećanje energije očituje se u povećanju brzine. Uz malo matematike dođe se do izraza (formule) za energiju: polovica mase puta kvadrat brzine. Tu energiju nazivamo kinetičkom energijom ili energijom gibanja.
Kinetička energija tek je jedan od mnogih mogućih oblika energije. Drugi važan oblik energije je potencijalna energija ili energija položaja. Ona pak ima razne varijante: gravitacijska potencijalna energija, električna potencijalna energija, elastična potencijalna energija. Pa onda postoji unutrašnja energija tijela (zbog termičkog gibanja atoma), kemijska energija, energija zračenja, nuklearna energija i tako dalje.
Očuvanje energije
Osim što ima običaj prelaziti s tijela na tijelo, što naš svijet čini zabavnim, energija ima još jedan običaj: prelaziti iz jednog oblika u drugi. Osim transfera voli i transformacije. U analogiji s novcem to znači: dolar u euro, euro u zlato, zlato u kunu, kuna u bitcoin i tome slično. Tako se nuklearna energija u Suncu pretvara u energiju zračenja koja se na Zemlji može pretvoriti u kemijsku energiju u biljkama. Tu kemijsku energiju, u gorivu, možemo pretvoriti u toplinsku energiju pa onda u kinetičku energiju gibanja ili gravitacijsku potencijalnu energiju ili električnu energiju. I tako u nedogled.
Dobra je stvar s energijom što ne može nestati ni u što niti nastati ni iz čega, može se samo pretvarati iz jednog oblika u drugi. Kad govorimo o "trošenju" energije zapravo mislimo da transformaciju iz nama korisnog oblika, recimo električne energije, u nama nekorisni oblik, recimo toplinsku energiju koja nam je pobjegla u okolinu.
Ako je fizički sustav zatvoren, što znači da je onemogućen ulaz/izlaz energije, onda je ukupna količina energije u vremenu stalna. Odnosno, nema promjene ukupne energije. Ta je činjenica poznata kao zakon očuvanja energije, jedan od najvažnijih zakona u svemiru koji bez izuzetka vrijedi na svim skalama, od elementarnih čestica do superskupova galaksija.
Simetrija na pomak u vremenu
Svaki zakon očuvanja povezan je s nekom simetrijom. Otkrila je to 1915. matematičarka Emmy Noether, iste godine kad je Einstein objavio svoju opću teoriju relativnosti. Konkretno, zakon očuvanja energije povezan je sa simetrijom na pomak u vremenu. Ta simetrija, naravno, ima svoju preciznu matematičku formulaciju. Zapravo, i više nego preciznu: egzaktnu formulaciju. Jer, matematika je, za razliku od fizike, egzaktna disciplina. No u ovom pjesničkom prikazu fizike apstiniramo od matematike pa ću simetriju na pomak u vremenu ovako prepričati: određene fizičke veličine neće se promijeniti ako vremensku varijablu na svim mjestima u matematičkom izrazu promijenimo za neki stalni iznos. Stručnije se to kaže da određene fizičke veličine ostaju invarijantne na vremenski pomak. A posljedica invarijantnosti na vremenski pomak je zakon očuvanja energije. Emmy Noether pokazala je da svi zakoni očuvanja, ne samo zakon očuvanja energije, proizlaze iz nekih simetrija u svemiru. A kako su simetrije povezane s našim osjećajem za lijepo (pogledajte, recimo, članak Symmetry, beauty and evolution objavljen 1994. godine u časopisu Nature) možemo slikovito reći da fizika proizlazi iz ljepote.