Store opdagelser: Den uforgængelige energi
I dag lever vi i energiens tidsalder. Energi er en fysisk størrelse, men også en profitabel handelsvare, et politisk mantra med stor international betydning, en forureningskilde og en livsbetingelse. Det er en så væsentlig en størrelse, at den i mange lande har fået sit eget ministerium.

Ved lynnedslag omformes spændingen mellem skyer og jordoverfladen til elektriske udladninger med en enorm energi. Luften varmes lokalt op til en temperatur omkring 20.000°C, varmere end Solens overflade, men den samlede energi ændres ikke. (Lynnedslag i New York. Foto: Jay Fine)

 

I betragtning af energiens massive betydning kunne man tro, at begrebet går langt tilbage i historien, men det er ikke tilfældet.

Ganske vist kan ordet 'energeia' findes hos Aristoteles, men han brugte det i en helt anden betydning, end den vi kender i dag.

Den nuværende betydning er tæt knyttet til loven om energiens bevarelse, uden hvilken energien ikke ville være en virkelig fundamental størrelse.

Kinetisk- og potentiel energi blev defineret inden for den mekaniske fysik

Isaac Newton (1642-1727) kendte hverken til energi eller energibevarelse.

Først i slutningen af 1700-tallet blev begreber som kinetisk og potentiel energi – eller på dansk bevægelsesenergi og beliggenhedsenergi – defineret inden for den mekaniske fysik, og man fik så småt færten af en sammenhæng mellem varme og mekanisk arbejde.

Denne sammenhæng viser sig tilsyneladende umiddelbart i de dampmaskiner, der netop da begyndte at sætte deres præg på samfundet, men man opfattede på den tid stadig varme som en væskeagtig substans (caloric) snarere end en energiform.

Loven om energiens bevarelse blev opdaget af amatører

Vi skal frem til 1840'erne, efter caloric var lagt i graven og varme blevet til en form for bevægelse, før det moderne energibegreb opstod i forbindelse med loven om energiens bevarelse. 

I betragtning af den nytte og nærmest guddommelige status, denne lov har, er det bemærkelsesværdigt, at den oprindeligt blev opdaget af to amatører uden nogen uddannelse i fysik.

I 1842 foreslog den tyske læge Julius Robert Mayer (1814-1878) fra Heilbronn, at energien var bevaret, og kort tid senere nåede den engelske brygger og amatørforsker James Prescott Joule (1818-1889) fra Manchester uafhængigt til samme konklusion.

Fakta

 

Denne artikel stammer fra bogen '50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her

 

Loven blev formuleret i sin fulde generalitet af Mayers landsmand, den lægeuddannede fysiker Hermann von Helmholtz (1821-1894), der i 1847 udgav en vigtig afhandling om emnet, 'Ueber die Erhaltung der Kraft' (Om Kraftens Bevarelse).

Med Helmholtz' bidrag blev sætningen om energiens bevarelse et grundlag for termodynamikken eller den almene lære om energien og dens forandringer.

Energien i universet er konstant

Ifølge loven om energibevarelse er der i naturen forskellige former for energi – varme, lys, bevægelse, kemiske omdannelser etc. – og disse har to bemærkelsesværdige egenskaber, nemlig omsættelighed og bevarelse.

De forskellige former kan omdannes til hinanden, men uanset omdannelsens art vil den samlede energimængde i et lukket system, der ikke udveksler energi med omgivelserne, være uændret.

Eller som den tyske fysiker Rudolf Clausius (1822-1888) senere udtrykte det på mere grandios vis: Energien i universet er konstant.

Det afgørende er med andre ord, at energi ikke kan opstå eller forsvinde, den kan kun ændre form. Loven kendes også som termodynamikkens første hovedsætning.

Energi og arbejde er ikke identisk

Den anden hovedsætning vedrører entropien eller energiens evne til at udføre arbejde. Energi og arbejde er tæt forbundne begreber, men ikke identiske.

Ifølge den anden hovedsætning, sådan som den først blev formuleret af Clausius i 1850'erne, vil entropien i et lukket system vokse spontant mod en maksimal værdi, der svarer til en fuldstændig ligevægt.

I modsætning til energien er entropien altså ikke en bevaret størrelse.

Joule målte den mekaniske energi i hjul 

Joules opstilling, her i en gengivelse fra 1869. Tabet i mekanisk energi, angivet til højre, opvejes af den varmeenergi, der opstår ved friktion i vandet (Joules opstilling. Harper’s New Monthly Magazine, nr. 231, august 1869)

Men tilbage til første hovedsætning. For at begrunde energisætningen eksperimentelt måtte forskerne vise, at en energiform kunne omdannes til en anden, uden at energien gik tabt.

Joule eksperimenterede oprindeligt med den varme, der dannes i en strømførende ledning, og blev herfra ført til målinger af varmedannelsen fra mekaniske processer og fra gassers udvidelse.

Han målte blandt andet den mekaniske energi, der skal til at dreje et hjul med vinger rundt i vand (som i en gammeldags hjuldamper).

Når hjulet drejes hurtigt rundt, vil der opstå gnidningsvarme og vandets temperatur vil stige. Ved at måle den opståede varme og sammenligne den med den brugte mekaniske energi kunne han finde omsætningsforholdet mellem varmeenheden 'calorie', og hvad vi i dag kalder 'joule'.

Hans bedste værdi for denne størrelse, der af historiske grunde kendes som 'varmeenhedens mekaniske ækvivalent', var 4,16 J/cal. Det er forbavsende tæt på den nuværende værdi, der er 4,19 J/cal.

 

Energi kan hverken skabes eller forsvinde

Også den danske ingeniør og fysiker Ludvig August Colding (1815-1888), der var elev af H.C. Ørsted, bidrog med tidlige målinger af størrelsen. Han var blandt de første til at foreslå en lov om det, han kaldte energiens uforgængelighed.

Dette gjorde han i 1840'erne ud fra forsøg med gnidningsvarme mellem metaller.

På basis af en lang række eksperimenter, herunder Coldings, stod det i midten af 1800-tallet klart, at energi eller 'kraft' – de to ord blev forvirrende nok brugt synonymt – hverken kan skabes eller forsvinde.

I denne henseende havde størrelsen samme egenskab som massen af stof. Siden Lavoisiers eksperimenter i 1770'erne havde det været alment accepteret, at i alle processer, hvor et stof omdannes til et andet, vil den samlede masse være uforandret.

Her ses endnu et lynnedslag.

Man havde altså nu to bevarelsessætninger for henholdsvis masse og energi, og de blev snart opfattet som absolut gyldige og uden undtagelser.

 

Energi blev et centralt begreb i naturvidenskaben

Energi blev hurtigt til et centralt begreb i næsten alle naturvidenskaber, og det var ikke kun naturforskerne, der tog energiens evangelium til sig.

I begyndelsen blev energiens bevarelse associeret med åndelige og kristne værdier. Verden er jo fuld af energi, og energi kan ikke skabes gennem naturlige processer.

Hvor kommer den så fra? Det kan vel kun være fra en hinsidig skabende kraft, der på overnaturlig vis har leveret energien til at trække det kosmiske urværk op og derved puste liv i universet.

Både Mayer og Joule var faktisk overbeviste om, at det nye energibegreb passede med det kristne budskab som fod i hose.

I Danmark var Colding af samme opfattelse. Med energisætningen havde naturvidenskaben tilsyneladende leveret et slagkraftigt argument mod de materialistiske anskuelser, der voksede frem i tiden.

Ifølge Colding var den ikke blot stærk evidens for sjælens udødelighed, den havde ligefrem bevist, 'at Gud har skabt verden af hvad der for os opløser sig i et Intet', som han skrev i en afhandling fra 1856.

 

Hvis verdens energi er konstant, må verden være evig

Ved et af historiens mange ironiske krumspring blev energien senere i århundredet omfavnet af materialistiske, socialistiske og ateistiske synspunkter.

Ifølge tænkere inden for den materialistiske og kulturradikale tradition bestod verden af to uforgængelige størrelser, stof og energi.

Ved frembringelse af kunstige lyn i form af elektriske udladninger veksler energien mellem forskellige former, så der skabes et kaotisk og uforudsigeligt mønster.

Da den samlede mængde energi i verden er konstant og altså altid har eksisteret, må verden være evig.

Der kan ikke være nogen begyndelse på eller skabelse af verden, og ej heller en afslutning på den, for det ville stride imod loven om energiens bevarelse. Og hvis verden altid har eksisteret, mister begrebet om den skabende Gud da ikke sin legitimitet?

 

Radioaktivitet stemmer ikke overens med den klassiske lov om energibevarelse

I sidste del af 1800-tallet var det ikke kun den darwinske udviklingslære, der blev mobiliseret i den omfattende kulturkamp mod Kirken og dens værdier, det var i høj grad også fysikkens energisætning.

Den tyske samfundsfilosof Friedrich Engels (1820-1895), der sammen med Karl Marx (1818-1883) udformede den kommunistiske verdensanskuelse, var blandt dem, der anså loven om energiens bevarelse for et videnskabeligt bevis for materialismen.

Men er energien nu også bevaret? Hvorfra ved vi, at det er tilfældet for alle processer, til enhver tid og på ethvert sted i universet? Svaret er ikke blot, at vi ikke kan vide det, men at den klassiske lov om energibevarelse faktisk ikke har absolut gyldighed.

Da radioaktiviteten blev opdaget i slutningen af 1890'erne, blev naturforskerne konfronteret med et fænomen, hvor energi tilsyneladende opstod spontant og uden at være forårsaget af andre energiformer.

Radioaktivitet og andre processer, der har deres oprindelse i atomkernen, stemmer ikke overens med den klassiske lov om energibevarelse, men alligevel er fysikere i dag lige så overbeviste om lovens gyldighed, som de var det i sidste halvdel af 1800-tallet.

 

Vi har en enkelt bevarelseslov for masse-energi

Grunden er, at energi i dag ikke er helt det samme som energi anno 1850 eller anno 1900.

Med sin relativitetsteori belærte Albert Einstein (1879-1955) fysikerne om, at energi (E) og masse (m) er ækvivalente størrelser: De kan omformes til hinanden i overensstemmelse med forskriften E = mc2, hvor c er et symbol for lysets hastighed, cirka 300.000 km/sek.

I lysmøllen eller radiometret drejer vingerne tilsyneladende rundt af sig selv, i modstrid med loven om energibevarelse. Men kun tilsyneladende.

Der er tale om en omformning af lysenergi til termisk energi i de molekyler, der findes i glasbeholderen. Molekylerne reflekteres forskelligt i vingernes sorte og lyse sider, og som et resultat opstår et tryk, der giver vingerne bevægelsesenergi.

I stedet for at have to absolutte bevarelseslove, den ene for masse og den anden for energi, har vi ifølge den einsteinske fysik en enkelt bevarelseslov for masse-energi.

Når fysikere i dag taler om energi og energibevarelse, er det den generaliserede form for energi, de har i tankerne. I processer mellem elementarpartikler opstår og forsvinder energi hele tiden, men alligevel er energien absolut bevaret.

Det er faktisk en af de meget få fundamentale fysiske størrelser, der har denne egenskab.

 

Loven er ikke absolut, men kun statistisk gyldig

Der har været adskillige forsøg på at vise lovens begrænsning, for eksempel at den ikke har absolut men kun statistisk gyldighed, sådan som Niels Bohr (1885-1962) faktisk mente omkring 1930.

Men Bohr tog fejl, og heller ingen af de andre forsøg har båret frugt. Det skyldes ikke, at energibegrebet er konstrueret på en sådan måde, at loven er sand per definition, for eksperimenter kunne vise, at det ikke er tilfældet.

De har blot ikke gjort det og vil måske aldrig gøre det. Energibevarelse synes at være et fundamentalt træk i naturens arkitektur.

Moderne fysik er stadig fast forankret i loven om energiens bevarelse, blot er denne energi ikke identisk med det oprindelige begreb, der blev indført i midten af 1800-tallet.

 

Forskere finger kosmisk energi, der vokser med rummets udvidelse

Loven om energibevarelse synes at være absolut gyldig og virkelig fundamental, ja man kunne måske endda fristes til at kalde den guddommelig.

Og dog, for med opdagelsen af den 'mørke energi' i slutningen af 1990’erne fandt astronomer og fysikere en form for kosmisk energi, der ikke er bevaret, men derimod vokser med rummets udvidelse.

Der gælder ganske vist en bevarelsessætning for den mørke energi, men i dette tilfælde er det energitætheden, altså energi per rumfang, der er bevaret.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud