Energia – od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #2 – energia...czyli co? (cz. 1)

Teoretycznie powinienem zacząć ten tekst od podania definicji energii. Nie zrobię tego jednak z dwóch powodów. Po pierwsze - nie jest to wykład akademicki, a po drugie chciałbym w pierwszej kolejności w dużym skrócie opowiedzieć jak człowiek poznawał pojęcie energii. Ma to kluczowe znaczenie dla odpowiedzi na pytanie zawarte w tytule.

Wyrażenie „energia” nie jest jakąś skomplikowaną nazwą, pojęciem z fizyki jak np. sfaleron, o którym wspomniałem w poprzednim tekście. O energii słyszał każdy - w codziennym życiu termin ten jest często używany, chociaż w różnych sytuacjach i często w niewłaściwy sposób. Na co dzień korzystamy z urządzeń elektrycznych, tankujemy samochód, latamy samolotami lub jeździmy pociągami. Musimy też płacić rachunki „za energię”.

Człowiek – żywa elektrownia

Człowiek z energią miał do czynienia od samego początku. Ogrzewał się przy ognisku w jaskini, używał ognia do obróbki żywności, czy też wykorzystywał energię (kinetyczną, potencjalną) podczas polowań. Człowiek zresztą sam potrzebuje energii, aby funkcjonować. Można powiedzieć, że w pewnym sensie jesteśmy żywymi elektrowniami. Doświadczając niszczycielskiej siły huraganów, piorunów, czy wypadków komunikacyjnych lub katastrof przemysłowych przekonujemy się co potrafi energia. Szczególnie wtedy, gdy wyzwalana jest szybko i w sposób niekontrolowany. Jak widać pojęcie to jest wszechobecne i towarzyszy nam na każdym kroku. Mogłoby się, więc wydawać, że potrafimy je zdefiniować w sposób zadowalający i posługiwać się nim bez żadnych problemów.

Trudny orzech do zgryzienia

Niestety, ale okazuje się, że najbardziej fundamentalne pojęcia są najtrudniejsze do zdefiniowania. Pojęcie energii jest bardzo specyficzne. Jest to jedno z najważniejszych pojęć w nauce. Mówi się, że energia to zjawisko, które występuje wszędzie i dotyczy wszystkiego. Energia jest zaangażowana właściwie we wszystko, czego doświadczamy – światło słoneczne, proces trawienia, ciepło, zdolność poruszania się, wzrost roślin – może być przekształcana, by spełniać różnorodne funkcje. Nie obserwujemy jej bezpośrednio, ale widzimy jej działanie. Nie da się też jej wytworzyć, ani zniszczyć. Nie możemy się również bez niej obejść i nieustannie usiłujemy nad nią zapanować. Od energii zależy istnienie naszej cywilizacji. To ona jest miarą naszego rozwoju, co jest szczególnie widoczne w dzisiejszym świecie. Obecnie jesteśmy od niej uzależnieni. Nie wyobrażamy sobie funkcjonowania bez wielu urządzeń, które ją wykorzystują. Jest groźna, niezniszczalna, ale też niezbędna i życiodajna. Jak łatwo zauważyć, niektóre określenia są wręcz antagonistyczne (przeciwstawne). O tym samym mówimy, że jest jednocześnie życiodajne i śmiertelne. Wszystko zależy od sposobu użycia i skali.

Energia i nie-energia – problemy

Człowiek od samego początku próbował zapanować nad energią, poznać jej naturę i ją opisać. Zaczęło się od myślicieli, a później od naukowców przeprowadzających różne eksperymenty. W przypadku energii poznawanie i opisywanie jej okazało się bardzo trudne. W całej nauce nie ma drugiego terminu, który byłby tak nadużywany, tak źle rozumiany albo niepoprawnie używany, jak termin „energia”. To wszystko spowodowało, że pojęcie energii w nauce pojawiło się bardzo późno. We współczesnym znaczeniu zaczęto go używać dopiero w połowie XIX wieku. Oczywiście ludzie znacznie wcześniej zdawali sobie sprawę z istnienia różnego rodzaju tajemniczych zjawisk: ogień, pioruny, wiatr, trzęsienia Ziemi itp. Uznawali jednak wszystkie te siły za niezależne. Brakowało ogólnego pojęcia, właśnie takiego jak „energia”, które można by zastosować do opisu wszystkich zjawisk. Przeczuwano różne prawa i zależności jak na przykład to, że w procesach przyrodniczych pewna wielkość powinna być stała w czasie.

Energia ma wiele twarzy

Dobrnęliśmy już do zadania tego właściwego pytania: Co to jest energia? Posłużę się tu cytatem wybitnego i dość znanego fizyka, często pojawiającego się w tzw. kulturze masowej, oczywiście laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki - Richarda Feynmana: „istotną rzeczą jest zdanie sobie sprawy, że w ramach współczesnej fizyki nie mamy wiedzy, czym jest energia”. Tak, jest to trochę naciągane i brzmi jak marny slogan mający przyciągnąć czytelników swoją kontrowersyjną postacią, ale w dużej mierze to prawda. Właściwie nie da się określić czym dokładnie jest energia, za to możemy powiedzieć co robi – gdy tylko coś się dzieje, to właśnie jej zasługa. Wiemy, że energia przyjmuje liczne wzajemnie zamienne formy i o nich coś już możemy powiedzieć. Gdy myślimy o maszynach, organizmach, strumieniu spływającym z górskiego zbocza – to właśnie energia w działaniu. Energia i materia są nierozdzielne. Pojęcie energii tak trudno dokładnie zdefiniować, ponieważ wygląda na ogólne określenie obejmujące na pierwszy rzut oka niezwiązane ze sobą koncepcje. Jest tak dlatego, że energia może się przejawiać w wielu różnych formach. Możemy myśleć o niej jako o czymś fizycznym, co możemy zobaczyć (światło) albo poczuć (ciepło). Ale energia to także przyciąganie ziemskie, energia ściśniętej sprężyny, czy też energia w układach biologicznych. Wszystko na świecie, co się porusza, zmienia, czy wchodzi w jakiekolwiek interakcje, czyni to dzięki wykorzystaniu jakiejś formy energii.

Za tydzień dowiemy się, że jednak mamy definicję i możemy powiedzieć coś więcej o energii, ale wygląda to nieco inaczej niż można się było spodziewać…