Wird Energie wirklich gespart?

Das Thema "Energieeinsparung" hängt wirklich von der jeweiligen "Theorie", dem Paradigma ab, das Sie in Betracht ziehen - und es kann sehr unterschiedlich sein.

Ein guter Hammer, um diesen Nagel zu treffen, ist der Satz von Noether : siehe zB, wie er in der Klassischen Mechanik angewendet wird .

Das gleiche Prinzip lässt sich auf alle anderen Theorien in der Physik anwenden, von Thermodynamik und Statistischer Mechanik bis hin zur Allgemeinen Relativitätstheorie und Quantenfeldtheorie (und Eichtheorien).

Die zu lernende Lektion ist also, dass Energie nur erhalten bleibt, wenn das Problem eine Translationszeitsymmetrie aufweist.

Was uns zur Allgemeinen Relativitätstheorie bringt: In mehreren interessanten Fällen in GR ist es einfach unmöglich, eine „Zeit“-Richtung richtig zu definieren! Technisch gesehen würde dies eine bestimmte globale Eigenschaft (als „ globale Hyperbolizität “ bezeichnet) implizieren, die nicht alle 4-dimensionalen Raumzeiten haben. Im Allgemeinen wird also Energie in GR nicht konserviert.

Was die Quanteneffekte betrifft, so gilt in der Quantenfeldtheorie (die sozusagen eine Obermenge der Quantenmechanik ist) Energie als Erhaltungszustand: Zwar kann es zu Schwankungen kommen, diese sind jedoch durch das „Unschärfeprinzip“ begrenzt und haben keinen Einfluss auf die Anwendung des Satzes von Noether in der QFT.

Das Fazit ist also, dass wir, obwohl Energie nicht immer erhalten bleibt, immer verstehen können, was diese Nichterhaltung über den Satz von Noether bedeutet. ;-)

Dann habe ich gelernt, dass Kernreaktionen es ermöglichen, Energie in Masse umzuwandeln.

Das wäre das Gegenteil und in jedem Fall ist Masse Energie (und Energie ist Masse), also spart die Umwandlung des einen in das andere Energie.

Dann habe ich auch gehört, dass in der Quantenmechanik anscheinend Energie spontan auftreten kann.

Für eine sehr kurze Zeit, gegeben durch die Heisenbergsche Unschärferelation. Und das ist kein Verstoß gegen den Energieerhaltungssatz.

Gibt es also noch andere Vorbehalte bei der Energieeinsparung?

Warum „Andere“? Es gibt kein Problem mit der Energieeinsparung.

Energie wird immer ohne Einschränkung eingespart.

Mit dem Aufkommen der speziellen Relativitätstheorie werden Masse und Energie als gleichwertig angesehen. Mit anderen Worten, sie werden durch eine vektorielle Größe dargestellt, die als Energie-Impuls-Vektor bezeichnet wird. Vor der Relativitätstheorie gab es getrennte Gesetze, die vereinheitlicht wurden. Es ist ein sehr grundlegendes Gesetz, das mit einigen grundlegenden empirischen Eigenschaften des Universums verbunden ist, wie der Tatsache, dass sich die Gesetze der Physik im Laufe der Zeit nicht ändern.

Energie kann in der Quantenmechanik nicht spontan auftreten – sie kann jedoch nicht genau gemessen werden, was Energieschwankungen zulässt. Der wichtige Unterschied besteht darin, dass sich die Gesamtenergiemenge zwar ändern kann, dies jedoch nur für einen sehr kurzen Zeitraum, nach dem die ursprüngliche Menge wiederhergestellt ist. Die Energieschwankung kann also als virtuell betrachtet werden. Energie bekommt man nicht aus dem Nichts und Energie bleibt trotzdem erhalten.

Normalerweise, aber nicht immer, ist Energie eine konservierte Größe, wie die anderen Antworten erklärt haben.

Aber folgende Klarstellung ist wichtig:

Im BB-Rahmen, in dem sich der Raum ausdehnt, oder in der dualen „schrumpfenden Materie“ (fast dual) (commoving framework) ist das Verhältnis von Materie/Raum nicht unveränderlich und die Energie wird nicht erhalten , dh der Satz von Nöether gilt nicht. Es ist allgemein bekannt, dass Photonen bei ihrer Ausbreitung Energie verlieren. Ich kann kein Argument finden, warum Teilchen nicht auch Energie verlieren sollten (da sie Materiewellen sind).

Der andere relevante Punkt ist, dass Energie zerstört, aufgehoben, vernichtet werden kann, wie durch das hier beschriebene Experiment bewiesen wurde : Real-Live-Antilaser , Papier , und hier eine vorläufige Diskussion .

Ein weiteres Beispiel: Welche Energie wird von zwei Dipolen abgestrahlt, die in der gleichen Frequenz zentriert und gegenphasig sind? Es ist null. Das gleiche passiert mit zwei Photonen unter ähnlichen Bedingungen.

ergänzt:
Es ist bekannt, dass die kosmologische Rotverschiebung des Lichts üblicherweise als Energieabnahme interpretiert(*) wird, da die Wellenlänge der Photonen mit der Zeit zunimmt.

Die Gleichungen für die Interferenz von parallel polarisiertem Licht lauten: siehe Antwort von Kostya hier und Ersetzen von Delta durch Pi:

$\vec{E}=iE_{0}(cos(wt)+cos(wt+\pi))=0$;$I\vec{=|\vec{E|}^{2}}=0$.

Licht wird gelöscht, wenn die momentane Summe der E- und B-Vektorfeldkomponenten gleich 0 ist, was eine seit langem bekannte Tatsache ist (seit Maxwell ?). (Siehe Überlagerungsprinzip oder Interferenz .)

Zwei weitere Situationen , die uns über unsere Annahmen zur Energieerhaltung nachdenken lassen sollten:
beschleunigte Ladungen strahlen ab ( Diskussion auf matpages )
sich bewegende Körper in einem Gravitationsfeld strahlen Gravitationswellen ab (siehe MotionMountain kostenloses E-Book, Kapitel 18 – Bewegung in der Allgemeinen Relativitätstheorie)
(*) Ich teile nicht die übliche Interpretation, aber diese ist die offizielle.

Ich kann mich an keine andere Situation erinnern, in der Energie nicht gespart wird. Ich schließe mögliche Probleme mit dunkler Energie nicht ein ( siehe CosmicVariance )

Diese vier Ausnahmefälle sollten uns zum Nachdenken über unsere Energiesparkonzepte anregen.