Warum kann Energie nicht erzeugt oder vernichtet werden?

• Auf der Ebene der Physik 101 müssen Sie dies so ziemlich als experimentelle Tatsache akzeptieren.

• Auf der Ebene der Oberstufe oder der frühen Graduiertenschule werden Sie in den Satz von Noether eingeführt , und wir können über die Invarianz des physikalischen Gesetzes unter Zeitverschiebungen sprechen. Eigentlich ersetzt dies nur eine experimentelle Tatsache (Energie wird erhalten) durch eine andere (der Charakter des physikalischen Gesetzes ist zeitunabhängig), aber zumindest scheint es ein tieferes Verständnis zu sein.

• Wenn Sie sich eingehend mit der Allgemeinen Relativitätstheorie und/oder Kosmologie befassen, werden Sie möglicherweise auf Behauptungen stoßen, dass es unter den richtigen Umständen schwierig ist, eine eindeutige Zeit zu definieren, die für „Invarianz unter zeitlicher Verschiebung“ verwendet werden kann, wodurch die Energieeinsparung in Frage gestellt wird. Sogar auf Physics.SE finden Sie ziemlich viele Meinungsverschiedenheiten in dieser Angelegenheit. Es geht weit genug über mein Verständnis hinaus, dass ich keine Meinung wagen möchte.

  Dies kann (oder auch nicht) das, was Ihnen gesagt wurde, auf den Kopf stellen, aber nicht auf eine Weise, die Sie interessiert.

Eine Ausbildung in Physik ist oft so. Die Leute erzählen dir von festen, unumstößlichen Regeln und dann sagen sie später: "Nun, das war nur eine Annäherung, die gültig ist, wenn diese und jene Bedingungen erfüllt sind, und die wirkliche Regel ist diese andere Sache" . Irgendwann holt man dann mehr oder weniger einen Teil der Spitzenforschung ein und kann sich am Erlernen der neuen Regeln beteiligen.

In einem kleinen Bereich mit dem Gravitationsfeld der Erde ähnelt die allgemeine Relativitätstheorie sehr stark der speziellen Relativitätstheorie. Für niedrige Geschwindigkeiten ähnelt die spezielle Relativitätstheorie stark der Newtonschen Physik. Wenn wir die gesamte kinetische Energie eines Objekts als das dreifache Integral des Produkts aus seiner Dichte und dem halben Quadrat seiner Geschwindigkeit und seinen Gesamtimpuls als das dreifache Integral des Produkts aus seiner Dichte und seiner Geschwindigkeit definieren, kann es mathematisch sein bewiesen, dass in jedem System, in dem der Impuls erhalten bleibt, die Änderung der gesamten kinetischen Energie in allen Bezugssystemen gleich ist. Es stellt sich heraus, dass immer dann, wenn ein System ohne äußere Kraft kinetische Energie verliert, es die gleiche Menge an thermischer Energie gewinnt. Die Gravitationspotentialenergie eines Objekts kann auch als mgh definiert werden. Unter Verwendung der Gleichung (vf)^2 = (vi)^2 + 2ad, wir können ableiten, dass die Summe der gesamten potentiellen potentiellen Energie und kinetischen Energie eines Objekts im freien Fall konstant bleibt. Die Zentrifugalkraft ist eine fiktive Kraft, also gibt es keine potenzielle Zentrifugalenergie. Wie wird Energie konserviert, wenn Sie daran arbeiten, ein Objekt näher an das Zentrum einer Zentrifuge im Weltraum zu bewegen? Das liegt daran, dass es eine andere fiktive Kraft hat, die Coriolis-Kraft genannt wird, und wenn Sie es näher an die Zentrifuge bewegen, übt es eine reaktive Coriolis-Kraft auf es aus, die seine Drehgeschwindigkeit erhöht und ihm daher mehr kinetische Energie verleiht. Die Zentrifugalkraft ist eine fiktive Kraft, also gibt es keine potenzielle Zentrifugalenergie. Wie wird Energie konserviert, wenn Sie daran arbeiten, ein Objekt näher an das Zentrum einer Zentrifuge im Weltraum zu bewegen? Das liegt daran, dass es eine andere fiktive Kraft hat, die Coriolis-Kraft genannt wird, und wenn Sie es näher an die Zentrifuge bewegen, übt es eine reaktive Coriolis-Kraft auf es aus, die seine Drehgeschwindigkeit erhöht und ihm daher mehr kinetische Energie verleiht. Die Zentrifugalkraft ist eine fiktive Kraft, also gibt es keine potenzielle Zentrifugalenergie. Wie wird Energie konserviert, wenn Sie daran arbeiten, ein Objekt näher an das Zentrum einer Zentrifuge im Weltraum zu bewegen? Das liegt daran, dass es eine andere fiktive Kraft hat, die Coriolis-Kraft genannt wird, und wenn Sie es näher an die Zentrifuge bewegen, übt es eine reaktive Coriolis-Kraft auf es aus, die seine Drehgeschwindigkeit erhöht und ihm daher mehr kinetische Energie verleiht.

Ich glaube, es wurde bewiesen, dass es genau eine Möglichkeit gibt, relativistische Masse und Impuls als Funktion der Ruhemasse und -geschwindigkeit zu definieren, und bei zwei Objekten mit beliebiger Ruhemasse und -geschwindigkeit, welche Ruhemasse und -geschwindigkeit das System haben wird, wenn sie kollidieren und so kombinieren

• Gesamte relativistische Masse und Impuls bleiben erhalten
• Die relativistische Masse ist gleich der Ruhemasse bei Geschwindigkeit Null
• Der Impuls ist Null bei Geschwindigkeit Null
• Die Änderungsrate des Impulses in Bezug auf die Geschwindigkeit bei Geschwindigkeit Null ist gleich der Ruhemasse
• In jedem Bezugssystem verbinden sich zwei Objekte einer gegebenen Ruhemasse und Geschwindigkeit, wenn sie sich verbinden, zu einem System mit derselben Ruhemasse und Geschwindigkeit

und dass jedes Objekt eine Ruhemasse hat und tatsächlich diesen Gesetzen in unserem Universum folgt.

In der realen Situation eines Systems ohne externe Kräfte in Abwesenheit eines Gravitationsfeldes können wir die Ruhemasse eines rotierenden Objekts als seine relativistische Masse im Bezugssystem seiner Geschwindigkeit definieren, und wenn sich zwei Objekte verbinden, werden sie es tun gewinnen entweder thermische oder drehende kinetische Energie, und es ist tatsächlich die thermische Energie und drehende kinetische Energie, die zu ihrer Ruhemasse beiträgt, aber zwei Objekte mit einer bestimmten Ruhemasse und -geschwindigkeit werden unabhängig von der Quelle zu einem System mit derselben Ruhemasse und -geschwindigkeit kombiniert ihre ursprüngliche Ruhemasse.

Ich glaube, dass in der allgemeinen Relativitätstheorie Energie und Impuls nicht unbedingt erhalten bleiben. Ich denke, ein elektromagnetisches Feld krümmt die Raumzeit nicht und beeinflusst ein Gravitationsfeld auf keine andere Weise, als ein geladenes Teilchen zu beschleunigen, das wiederum das Gravitationsfeld mit seiner Gravitation beeinflusst, und in Abwesenheit von Teilchen wird ein elektromagnetisches Feld dies nicht beeinflussen ein Gravitationsfeld ein Fleck. Das bedeutet, dass ein elektrisches Feld ein geladenes Schwarzes Loch nicht beschleunigt. Vielleicht könnte ein geladenes Schwarzes Loch mit einem geladenen Teilchen eine hyperbolische Umlaufbahn durchlaufen, und das geladene Schwarze Loch beschleunigt das geladene Teilchen mit seiner Masse und Ladung, aber das geladene Teilchen beschleunigt das geladene Schwarze Loch nur mit seiner Masse und nicht mit seiner Ladung, wodurch es entsteht eine Nettoänderung des Impulses und wenn es keine genaue Bedingung erfüllt,

Ich würde argumentieren, dass Energieerhaltung Teil ihrer Definition ist, mit anderen Worten, Energie wurde so entworfen, dass sie erhalten bleibt. Denn Mengen, die eingespart werden, können vernünftigerweise als bequem angesehen werden. Denk darüber so. Nehmen wir an, wir sind ein paar hundert Jahre zurück und arbeiten an diesem aufkommenden Konzept, das wir „Energie“ nennen. Wir hatten wahrscheinlich schon die vernünftige Idee, Energie mit Bewegung (das nennt man kinetische Energie) und Temperatur (thermische Energie) in Verbindung zu bringen, vielleicht sogar so, dass, wenn ein sich bewegendes Objekt durch Reibung abgebremst wird, die Wärme abgegeben und der Verlust aufgenommen wird Geschwindigkeit entsprechen gleichen Mengen dieser 'Energie'. Später würden wir feststellen, dass wir nicht zu Ende gedacht hatten. Angenommen, ich habe ein Gleitobjekt auf einer gekrümmten Schiene, die oben vertikal beginnt und horizontal auf Meereshöhe endet. Ich beschließe, das Objekt auf einer bestimmten Höhe ruhig zu halten. Bei Raumtemperatur ist es zunächst bewegungslos. Ich lasse los, es gleitet die Schiene hinunter und erwärmt sich, bis es durch Reibung irgendwo auf der horizontalen Komponente der Schiene zum Stehen kommt. Es ist jetzt bewegungslos wie zuvor, aber heißer. Es hat also die gleiche Menge an kinetischer Energie, aber mehr thermische Energie. Wo ist es hergekommen ? Das Platzieren eines Objekts über dem Boden gibt ihm die Möglichkeit, Bewegung zu gewinnen oder Wärme zu erzeugen, oder besser gesagt, Höhe scheint in Wärme und Bewegung umwandelbar zu sein. Daher erscheint es sinnvoll, Energie der Höhe zuzuordnen. Benötigen Sie einen Namen für diese Energieform? Nennen Sie es "gravitative potentielle Energie". Nach mir, Das Konzept der potenziellen Gravitationsenergie wurde erfunden, um diesen ansonsten „Energiegewinn“ zu erklären. In der Tat erlaubt es zu behaupten, dass die Temperaturerhöhung aus der einfachen Umwandlung von bereits vorhandener Energie resultiert.

Im nächsten Schritt geht es darum, unsere neu erfundene Energieform quantitativ zu definieren. Nachdem wir Energie bereits quantitativ mit Wärme und Bewegung in Verbindung gebracht hatten, konnten wir experimentell die Energiemenge bestimmen, die ein 1 kg schweres Objekt hat, wenn es 1 m über dem Boden gehalten wird, indem wir es die Schiene hinunterrutschen ließen und die Energie maßen, die in Formen umgewandelt wurde, mit denen wir bereits vertraut sind. Durch Wiederholen mit verschiedenen Massen in verschiedenen Höhen könnten wir eine Formel für die potenzielle Gravitationsenergie ableiten, die die gesuchte Energieerhaltung erfüllt.

Ich habe keine Ahnung, in welcher Reihenfolge die verschiedenen Formeln tatsächlich aufgetaucht sind, aber ich bin fest davon überzeugt, dass dies der Grund dafür gewesen sein muss.

Ein mathematischerer Ansatz, der auf derselben Idee basiert, ist wie folgt. Angenommen, Sie haben (makroskopische) kinetische Energie definiert$\frac{1}{2}mv^2$. Mit Newtons 2. Bewegungsgesetz könnte man das beweisen, wenn sich ein Objekt durch ein konstantes Gravitationsfeld bewegt$g$und keiner anderen Kraft ausgesetzt ist, der Quantität$\frac{1}{2}mv^2+mgh$wird konserviert. Auf der Suche nach einer Erhaltungsgröße würden Sie das Ganze dann als Energie des betrachteten Objekts definieren und, nachdem Sie den ersten Begriff kinetische Energie genannt haben, den zweiten „potenzielle Energie der Gravitation“ nennen.

Mit anderen Worten, Energie ist ein mathematisches Konzept, das so definiert und skaliert ist, dass es in isolierten Systemen erhalten bleibt. Beachten Sie übrigens, dass ein isoliertes System lediglich als ein System definiert ist, in dem Energie erhalten bleibt, sodass das Weglassen der potenziellen Gravitationsenergie dazu führen würde, dass eine Murmel in einer geschlossenen und thermisch isolierenden Box eine Rutsche hinunterrollt und nicht mehr als isoliert bezeichnet wird könnte dann konsequent sagen, dass die Schwerkraft dem System Energie hinzufügt. Ob diese Ansicht weniger gültig ist, weiß ich nicht, aber es ist nicht die akzeptierte.

Wie auch immer, warum sollte man sich mit einer solchen Erfindung beschäftigen? Weil es gewissermaßen ermöglicht, die Zukunft vorherzusagen. Sie müssen kein 75 kg schweres Objekt auf einer Gleitschiene aus 390 m Höhe über dem Boden fallen lassen, um zu wissen, wie viel kinetische und thermische Energie (zumindest insgesamt) erzeugt wird.

Im Allgemeinen wird Energie natürlich nicht erhalten, da jede Bewegung mit Beschleunigung verbunden ist und Strahlung erzeugt, die sich von der Wechselwirkung wegbewegt – Wärmestrahlung von allen Körpern ist ein Beispiel. Aber in einem isolierten System bleibt Energie erhalten und dafür gibt es eine einfache klassische Erklärung. Nehmen Sie ein isoliertes System, Sie stellen fest, dass eine wichtige Eigenschaft des Raums darin besteht, dass es nicht möglich ist, eine Masse zu bewegen, ohne eine gleiche Masse um die gleiche Entfernung und in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Das ist$\sum_i m_i dr_i =0$entlang einer beliebigen Linie in Richtung s. Wir wissen, dass dies richtig ist, weil eine Differentiation nach der Zeit für konstantes m ergibt$\sum_i m_i v_i=0$entlang irgendeiner Linie, und dies ist die Erhaltung des Impulses – bekanntermaßen die ganze Zeit wahr. Ein zweiter Unterschied. wrt Zeit gibt$\sum_i m_i a_i = \sum_i f_i=0$entlang irgendeiner Linie. Das ist das Aktions- und Reaktionsgesetz der Kräfte und auch bekanntlich immer richtig. Die Drehimpulserhaltung folgt sofort und die Energieerhaltung auch ... da

Die Energieerhaltung ist also eine Folge der Impulserhaltung. Wir stellen fest, dass Energie bei Problemberechnungen nützlicher ist als Impuls, da Energie nur eine Zahl ist, während Impuls ein Vektor ist und (anscheinend) manchmal gegen Null gehen kann. Warum sollte der Impuls erhalten bleiben, sollte als "gegeben" angesehen werden ... eine Eigenschaft des Raums, wie die Summe der Winkel eines Dreiecks von 180 Grad und wie das Verhältnis des Umfangs zum Durchmesser eines Kreises im allgemeinen 3D-Raum.