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La conservazione dell’energia è una legge assoluta, eppure sembra volare di fronte a cose che osserviamo ogni giorno. Le scintille creano un fuoco, che genera energia manifesta di calore che prima non c’era. Una batteria produce energia. Una bomba nucleare crea un’esplosione. Ognuna di queste situazioni, tuttavia, è semplicemente un caso di energia che cambia forma., Anche l’energia oscura apparentemente paradossale che fa accelerare l’espansione dell’universo, vedremo, obbedisce a questa regola.
La legge di conservazione dell’energia, nota anche come la prima legge della termodinamica, afferma che l’energia di un sistema chiuso deve rimanere costante—non può né aumentare né diminuire senza interferenze dall’esterno. L’universo stesso è un sistema chiuso, quindi la quantità totale di energia esistente è sempre stata la stessa. Le forme che l’energia assume, tuttavia, sono in continua evoluzione.,
Il potenziale e l’energia cinetica sono due delle forme più basilari, familiari dalla classe di fisica delle scuole superiori: il potenziale gravitazionale è l’energia immagazzinata di un masso spinto su per una collina, pronto a rotolare giù. L’energia cinetica è l’energia del suo movimento quando inizia a rotolare. La somma di questi è chiamata energia meccanica. Il calore in un oggetto caldo è l’energia meccanica dei suoi atomi e molecole in movimento. Nel 19 ° secolo i fisici si resero conto che il calore prodotto da una macchina in movimento era l’energia meccanica lorda della macchina convertita nell’energia meccanica microscopica degli atomi., L’energia chimica è un’altra forma di energia potenziale immagazzinata in legami chimici molecolari. È questa energia, accumulata nelle tue cellule corporee, che ti permette di correre e saltare. Altre forme di energia includono l’energia elettromagnetica, o luce, e l’energia nucleare—l’energia potenziale delle forze nucleari negli atomi. Ce ne sono molti altri. Anche la massa è una forma di energia, come ha mostrato il famoso E = mc2 di Albert Einstein.,
Il fuoco è una conversione di energia chimica in energia termica ed elettromagnetica attraverso una reazione chimica che combina le molecole nel combustibile (legno, diciamo) con l’ossigeno dall’aria per creare acqua e anidride carbonica. Rilascia energia sotto forma di calore e luce. Una batteria converte l’energia chimica in energia elettrica. Una bomba nucleare converte l’energia nucleare in energia termica, elettromagnetica e cinetica.
Poiché gli scienziati hanno compreso meglio le forme di energia, hanno rivelato nuovi modi per convertire l’energia da una forma all’altra., Quando i fisici formularono per la prima volta la teoria quantistica si resero conto che un elettrone in un atomo può saltare da un livello di energia all’altro, emettendo o assorbendo luce. Nel 1924 Niels Bohr, Hans Kramers e John Slater proposero che questi salti quantici violassero temporaneamente il risparmio energetico. Secondo i fisici, ogni salto quantico libererebbe o assorbirebbe energia, e solo in media l’energia sarebbe conservata.
Einstein obiettò con fervore all’idea che la meccanica quantistica sfidasse il risparmio energetico. E si scopre che aveva ragione., Dopo che i fisici perfezionarono la meccanica quantistica pochi anni dopo, gli scienziati capirono che sebbene l’energia di ciascun elettrone potesse fluttuare in una foschia probabilistica, l’energia totale dell’elettrone e della sua radiazione rimaneva costante in ogni momento del processo. L’energia è stata conservata.
La cosmologia moderna ha offerto nuovi enigmi nel risparmio energetico. Ora sappiamo che l’universo si sta espandendo sempre più velocemente, spinto da qualcosa che gli scienziati chiamano energia oscura. Questo è pensato per essere l’energia intrinseca per centimetro cubo di spazio vuoto., Ma se l’universo è un sistema chiuso con una quantità finita di energia, come può generare più spazio vuoto, che deve contenere più energia intrinseca, senza creare energia aggiuntiva?
Si scopre che nella teoria della relatività generale di Einstein, le regioni dello spazio con energia positiva spingono effettivamente lo spazio verso l’esterno. Mentre lo spazio si espande, rilascia energia potenziale gravitazionale accumulata, che si converte nell’energia intrinseca che riempie il volume appena creato. Quindi anche l’espansione dell’universo è controllata dalla legge di conservazione dell’energia.