يعتبر الحفاظ على الطاقة مبدأ مقدس إلى حد ما في الفيزياء، على الرغم من أنه قد يكون خادعًا في ظروف معينة، مثل الكون المتوسع، حيث إن ميكانيكا الكم هي سياق آخر يكون فيه الحفاظ على الطاقة أمرًا خفيًا، لدرجة أنه لا يزال يستحق كتابة الأوراق البحثية.
قانون حفظ الطاقة
لتعريف قانون الحفظ بشكل أكثر عمومية، هو قانون ينص على أن خاصية أو شيء معين في نظام معزول يكون دائمًا بكمية ثابتة ولا يتغير بمرور الوقت؛ بما أن الكون نفسه هو نظام منعزل، فإن قانون الحفظ يقول أن الرقم المرتبط بهذه الخاصية أو الشيء هو ثابت للكون، على سبيل المثال ينص قانون حفظ الطاقة على أن كمية الطاقة في كوننا هي رقم ثابت لا يتغير بمرور الوقت.
كانت علاقة أينشتاين والفيزياء الكمية تقريبية للغاية؛ لأن العديد من مبادئ الفيزياء التي نعرف أنها تعمل في العالم الحقيقي، فهي لا تتصرف بنفس الطريقة في عالم الكم، وعندما تصبح الإلكترونات متحمسة، فإنها تكون قادرة على القفز إلى مستويات أعلى، حيث اقترح كل من نيلز بور وهانز كرامرز وجون سلاتر أن هذه الإلكترونات تنتهك قانون الحفاظ على الطاقة مؤقتًا.
وذكروا أنه مع كل قفزة، يتم إنشاء الطاقة أو تدميرها بواسطة الإلكترونات أثناء العملية برمتها، ومع ذلك، تم استبعاد هذا الأمر مرة أخرى، حيث ظلت الطاقة الكلية للإلكترون قبل أو بعد الإثارة كما هي، ومن حيث الجوهر لم يتم كسر قانون الحفاظ على الطاقة بأي شكل من الأشكال في هذه العملية.
صياغة قانون حفظ الطاقة
في عام 1905، نشر ألبرت أينشتاين معادلته الشهيرة، E = mc ^ 2، حيث تخبرنا هذه المعادلة أنه يمكن تحويل المادة إلى طاقة، وهنا يمكن للمادة أن تختفي، وبدلاً من ذلك تصبح طاقة، ويحدث هذا على سبيل المثال، في انفجار قنبلة ذرية، ويتم تحويل كميات صغيرة من عنصر مشع مثل البلوتونيوم إلى كميات مروعة من الحرارة والضوء والقوة الخارجية.
تفسير عدم حفظ الطاقة في فيزياء الكم
تدرس الحفاظ على الطاقة أو نقصها، عند إجراء القياسات في ميكانيكا الكم، ويمكن أن تتغير قيمة توقع هاميلتوني لنظام ما بشكل واضح عندما تنهار وظائف الموجة وفقًا للمعالجة القياسية للكتاب المدرسي (كوبنهاغن) للقياس الكمي.
لكن قد يتخيل المرء أن التغيير في الطاقة يتم تعويضه بواسطة جهاز القياس أو البيئة أن هذا ليس صحيحا، حيث يمكن أن يكون التغيير في طاقة الحالة بعد القياس كبيرًا بشكل تعسفي، بغض النظر عن عملية القياس الفيزيائية، وفي نظرية الكم إيفريت، بينما يتم حفظ القيمة المتوقعة لهاملتونيان لوظيفة الموجة للكون بما في ذلك جميع الفروع، فهي ليست ثابتة داخل عوالم فردية.
منظور كوبنهاغن في حفظ الطاقة
إن الخط الأساسي بسيط، بحيث لا يتم حفظ الطاقة في القياسات الكمومية، وفي الحقيقة السبيل الوحيد للخروج هو رفض قبول متوسط الطاقة لدولة ما على أنها تمثل الطاقة الحقيقية على الإطلاق، وهذا جيد بقدر ما يذهب، ولكن في هذه الحالة، لن يكون لأي دولة أخرى غير (eigenstates) للطاقة؛ إن متوسط الطاقة عبارة عن كمية صارمة شبيهة بالطاقة يمكن الحفاظ عليها تمامًا إذا لم تكن للقياسات، لذا فإن حقيقة أن القياسات تنتهك قانون الحفظ أمر مثير للاهتمام.
منظور إيفريت في حفظ لطاقة
في إيفريت لا تنهار الدوال الموجية أبدًا، فكل ما يفعلونه هو الانصياع لمعادلة شرودنغر. ما يتم التفكير فيه على أنه “قياس” هو فقط عندما يتشابك نظام كمي في تراكب مع بعض الأشياء العيانية (“جهاز القياس”)، والتي بدورها تصبح متشابكة مع بيئتها (“فك الترابط”).
وعندما يحدث ذلك، تصبح الأجزاء المختلفة من التراكب أجزاءً من عوالم منفصلة، لذا فبدلاً من تراكبنا السابق للدوران لأعلى والدوران اللذان ينهاران فجأة في أحدهما أو الآخر، تتطور الحالة بسلاسة إلى واحدة تصف نسختين غير متفاعلتين من الواقع، واحدة حيث يكون الدوران للأعلى والأخرى حيث يكون الدوران أسفل.
الشيء الجميل في هذا هو أن الطاقة محفوظة تمامًا، ويعتقد المراقبون الفرديون أنهم يشهدون تغير متوسط الطاقة، لأنهم يعيشون فقط في فرع واحد في كل مرة، ولكن في “الدالة الموجية للكون” (الحالة الكمومية التي تصف جميع الفروع في وقت واحد)، يكون متوسط الطاقة ثابتًا، لأن هذه الدالة الموجية تخضع لمعادلة شرودنغر، ويتم تقسيم الطاقة ببساطة بين الفروع بشكل مختلف قليلاً مع مرور الوقت.
هذه القصة مختلفة تمامًا عما يتم سماعه، أي أن إيفريت، وليس كوبنهاغن، هو الذي يعاني من مشكلة في الحفاظ على الطاقة.
ليس كل شيء في الكون يتبع قوانين الحفظ، على سبيل المثال لا يتم حفظ المواد الكيميائية، وفي أثناء تفاعل كيميائي يمكن أن تفقد جزيئات الماء عندما تنضم إلى الحديد لتكوين الصدأ (أكسيد الحديد)، وفي نهاية التفاعل الكيميائي، يوجد المزيد من جزيئات الصدأ وعدد أقل من الماء والحديد، ولا يتم حفظ كميات الماء والحديد والصدأ.
توسع الكون وقانون حفظ الطاقة
إذا كانت الطاقة لا يمكن إنشاؤها، فما الذي يغذي توسع الكون؟؛ إن الكون يتمدد بمعدل سريع جدًا، وقد وضع الباحثون قيمة تقريبية تبلغ 68 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ، أي أنه يتمدد الكون بشكل أسرع من سرعة الضوء، والجانب المحير للعقل في هذا التوسع هو أنه يتسارع، لذلك مع كل ثانية يتمدد الكون أسرع من الثانية السابقة.
يطلق الباحثون على الطاقة الكامنة وراء هذا التوسع “الطاقة المظلمة”، لكن من أين تأتي هذه الطاقة المظلمة، وهل كانت موجودة بالفعل؛ لقد جادل العديد من الباحثين بأن الكون المتوسع يغذي طاقة الجاذبية الكامنة بداخله، ومع توسع الكون تبتعد المجرات أكثر فأكثر.
أيضًا مع توسع الكون يصبح أكثر برودة وأكثر برودة، فإن النجوم الجديدة ليست ساخنة مثل سابقاتها هذا الاتجاه واضح في جميع أنحاء الفضاء.
الثابت الكوني وقانون حفظ الطاقة
بدأ العلماء في إيجاد حجم هذه الطاقة المظلمة بطريقتين، الطريقة الأولى كانت بحسابها من خلال المعادلات، والطريقة الثانية تضمنت قياسها مباشرة، وعندما تم طرح هاتين القيمتين للتقييم، صدمت الجميع، حيث كانت القيمة التي يمكن حسابها من خلال المعادلات الفيزيائية أكبر بـ 120 مرة من القيمة التي تم قياسها.
وهذا ليس فرقًا ضئيلًا فقد وُصف بأنه “أسوأ تنبؤ نظري في تاريخ الفيزياء”، فالقيمة المُقاسة كانت تسمى الثابت الكوني، ومع ذلك، فإن القيمة الفعلية للثابت الكوني موضع نقاش بسبب الاختلافات الدقيقة في الأرقام الفعلية بسبب طريقة القياس المستخدمة.
لذلك، هذا التناقض الهائل جعل العلماء يفكرون في سبب هذا الاختلاف، والنتيجة التي توصلوا إليها هي أنه في مكان ما، منذ ملايين أو بلايين السنين، تم انتهاك قانون الحفاظ على الطاقة، وهذه ملاحظة محفوفة بالمخاطر للغاية بسبب سلامة قانون الحفاظ على الطاقة.
ويعتقد الباحثون أنه خلال فترة من التاريخ، تم إنشاء أو تدمير الطاقة دون الانصياع للحفاظ على الطاقة، وقد يكون هذا هو السبب في ملاحظة مثل هذا التحول في القيمة باستخدام طريقتين الحساب، ومع ذلك لا يمكننا إثبات النظرية لأن البيانات اللازمة لعمل مثل هذا البيان غير معروفة إلى حد كبير.
هل قانون الحفاظ على الطاقة خدعة
حتى الآن، كانت كل حجة ضد قانون الحفاظ على الطاقة خاطئة قيد البحث، المعضلة الأخيرة التي تسبب الصداع للباحثين هي الطاقة المظلمة، ولا يمكننا دحض أو إثبات أن قانون الحفظ قد تعرض للخطر، ببساطة لا يوجد هناك بيانات كافية للتحقق من صحة مثل هذا الادعاء.
وحتى الآن، لا يزال قانون الحفاظ على الطاقة قائمًا دون دحض، ومع فقدان كل مطالبة لقيمتها بينما، يتم التحفيز بشكل أعم، فإن قانون الحفاظ على الطاقة قد هزم بالتأكيد دعاوى لا حصر لها ضده.
تتضمن الفيزياء العديد من قوانين الحفظ، والأكثر شهرة هو قانون الحفاظ على الطاقة، حيث ينص هذا القانون على أن كمية الطاقة في نظام منعزل لا تتغير بمرور الوقت، طريقة أخرى لقول ذلك هي أن الطاقة لا تُخلق ولا تُدمر، وإنه يغير الشكل فقط، على سبيل المثال، من الطاقة الكهربائية إلى الضوء، ويتم “حفظ” إجمالي كمية الطاقة في نظام معزول.
