Что такое энергия? Или таинственная материя, которую создают гаджеты

Это вторая часть небольшой серии статей, посвященных электромагнитному излучению от смартфонов, Bluetooth-наушников и других гаджетов.

В первой части мы разобрались с тем, что такое электромагнитное излучение, откуда оно берется, из чего состоит и как распространяется в пространстве. Другими словами, мы обсудили некоторые фундаментальные вопросы устройства нашей вселенной и то, как они связаны с современными технологиями.

Наши размышления закончились на том, что все гаджеты создают электромагнитные волны, которые «отсоединяются» от их антенн и уносятся в открытое пространство. Но, как оказалось, волны эти не совсем безобидные, так как они путешествуют не «налегке», а переносят энергию!

Мы используем это слово очень часто в повседневной жизни, но понимаем ли мы его значение? Какие ассоциации у вас возникают со словом «энергия»? Что именно переносится по электромагнитным волнам и каким образом это «нечто» попадает внутрь нашего тела?

В этой статье мы и займемся поиском ответов на эти, казалось бы, детские вопросы.

Таинственная несуществующая материя. Или что такое энергия?

Недавно мне на глаза попалось одно интервью, в котором ведущий задал доктору биологических наук вопрос о том, что такое душа. Гость пытался что-то объяснять (разумеется, ответа на этот вопрос нет ни у него, ни у кого-то другого), но мое внимание больше привлёк комментарий одного из слушателей, который прозвучал так:

— Что же тут непонятного!? Душа — это сгусток энергии!

Сгусток энергии… Очень интересное и в то же время бессмысленное выражение.

К примеру, вот на столе лежит карандаш. Безусловно, это неодушевлённый предмет, внутри которого нет ни сгустка энергии, ни души.

Но что произойдет с карандашом, если я возьму его в руку и подниму на небольшую высоту? Для кого-то это прозвучит странно, но у карандаша появится энергия! Откуда она там взялась? Я передал ей часть своей энергии. То есть, буквально в моем теле стало меньше энергии, в то время, как у карандаша она появилась.

Согласитесь, в этом смысле выражение «душа — это сгусток энергии» звучит немножко нелепо. Неужели я передал часть своей души карандашу? И сколько должно быть энергии в предмете, чтобы он стал воодушевлённым?

Но давайте оставим душу в покое и лучше сосредоточимся на карандаше. Так какое же «вещество» перешло от моего тела в карандаш?

Сразу скажу, что это точно то же «вещество», что переносят электромагнитные волны, излучаемые всеми гаджетами. Оно же подразумевается под словом «электроэнергия» и об этом «веществе» идет речь, когда мы говорим: «я полон энергии!». Что же это такое?

Это — теплород!

Именно такой ответ вы бы услышали от типичного ученого 18-го века. Тогда люди думали, что энергия — это какое-то текучее вещество, благодаря которому все тела могут нагреваться. Однако сегодня подобные теории лишь вызывают улыбку.

Разумеется, нет никакого теплорода, никаких флюидов, дающих тепло. Да и вообще нет никакого вещества в природе, которое бы можно было назвать «энергией». Это не светящийся шар или сгусток, не электричество и не какая-то форма материи.

На самом деле, энергия — это просто абстрактное понятие, математическая величина.

Всё дело в работе!

Чтобы понять, что же такое «энергия», давайте рассмотрим простой пример — механические часы с пружиной.

Пока пружина не заведена, в часах нет никакой энергии и они не могут отсчитывать время. Но если я потрачу свою энергию, то есть, напрягу мышцы, сожгу несколько калорий и начну вращать заводную головку, то передам пружине часть своей энергии. И теперь часы будут работать какое-то время без чьей либо помощи.

Да, я потерял немного энергии, а пружина — получила ее. Но физически ничего из моего тела не перешло в пружину часов. Просто я за пару секунд проделал работу, которую теперь пружина будет делать в течение нескольких дней. Заметьте, работа, которую будет делать пружина численно равна работе, которую проделал я, вращая заводную головку.

То же касается и карандаша. Когда он лежал на столе, то не мог самостоятельно двигаться. Но когда я потратил свою «энергию» (когда в моем организме произошли различные биохимические реакции) на то, чтобы поднять карандаш, он приобрел эквивалентное количество «энергии».

Ведь теперь, если я отпущу карандаш и уже не буду тратить никакой энергии, он самостоятельно начнет движение вниз, совершая по пути какую-то работу (расталкивание молекул воздуха и т.п.).

Это и есть смысл энергии. Отсюда можно сделать вывод, что:

Энергия — это простое число, которое сообщает нам, сколько работы может быть сделано.

Как видите, всё намного скучнее, чем сгустки вещества, теплород или светящаяся материя.

Просто наша вселенная так устроена, что все объекты каким-то образом друг с другом взаимодействуют: толкают или вращают атомы, разгоняют электроны, разрушают молекулы и создают их, «склеивая» различные атомы.

И под словом «энергия» мы лишь подразумеваем способность того или иного объекта что-то сделать, пнуть кого-то.

Электромагнитная волна, излученная смартфоном или вышкой 5G, не несёт никакого вещества. Она просто может физически толкнуть электроны или развернуть молекулу.

Если это происходит, мы говорим, что молекула поглотила энергию электромагнитного излучения. То есть, электромагнитная волна сделала работу — толкнула молекулу, а значит, энергия волны «перешла» в молекулу. И теперь эта молекула может просто вращаться какое-то время или толкнуть другую молекулу.

То же можно сказать и о поглощении фотонов. У любого фотона есть энергия, то есть, способность выполнять какую-то работу (толкать, вращать, ускорять). И когда мы говорим, что какой-то электрон поглотил один фотон, то подразумеваем, что фотон передал ему энергию движения. Теперь электрон может подняться на другую орбиту или вовсе вылететь за пределы атома.

Одним словом, молекулы и электроны поглощают электромагнитные волны и фотоны в том же смысле, в каком пружина механических часов поглощает энергию человека, когда он тратит свои силы на то, чтобы завести эту пружину.

Почему энергия фотона/электромагнитной волны зависит от частоты?

Многие люди слышали, что чем выше частота у волны (чем чаще электрическое поле меняет свое направление то в одну сторону, то в другую), тем больше энергии несет такая волна.

Как мы уже разобрались, фотоны/волны не переносят никакого вещества, они лишь способны толкнуть молекулу или выбить электрон. В точности, как летящий камень — чем сильнее его бросить, тем больше энергии он несет или, другими словами, тем большую работу он сможет выполнить. Например, разбить более толстое и прочное стекло.

Так и с электромагнитными волнами. Представьте, что вы зафиксировали веревку одним концом и каждые 5 секунд дергаете за другой конец:

Естественно, вы тратите какую-то энергию, чтобы совершать эту работу. Но представьте, что вы начинаете дергать за веревку ежесекундно. Получается, теперь вы тратите в 5 раз больше энергии. И эта энергия никуда не пропадает, она переходит из вашего тела в волну. То есть, теперь волна несет в 5 раз больше энергии и способна сделать больше работы (банально волн стало в 5 раз больше).

То же происходит и с электромагнитными волнами. Когда электроны движутся туда-сюда по антенне смартфона 800 миллионов раз в секунду, появляются электромагнитные волны с частотой 800 МГц. И теперь у вас есть мобильный интернет.

Но если смартфон ускорится до 2.4 миллиарда раз в секунду, появится Wi-Fi связь. Очевидно, такие волны будут нести больше энергии, так как они смогут проделать больше работы.

А теперь представьте, сколько энергии будет нести волна, которая колеблется (меняет направление электромагнитного поля) с частотой, скажем, миллион миллиардов раз в секунду?

Представили? Именно с таким излучением мы сталкиваемся ежедневно, гуляя на солнце. Это ультрафиолетовое излучение. Думаю, не нужно объяснять, насколько разрушительной может быть работа таких волн при столкновении с кожей человека. Именно эти волны вызывают загар, солнечные ожоги и различные проблемы со здоровьем.

Если бы солнце излучало «тепло» только в инфракрасном спектре (когда электромагнитные волны колеблются с частотой, например, 800 млрд раз в секунду вместо миллион миллиардов), тогда бы наша кожа не приобретала шоколадный оттенок.

Еще раз хочу подчеркнуть эту мысль. Ультрафиолетовое излучение не содержит в себе какого-то опасного вещества, сгустка энергии, способного вызывать заболевания кожи. Просто где-то далеко на солнце какие-то электроны прыгали по орбитам своих атомов (переходили из более высокого энергетического состояния на более низкое) и это сопровождалось распространением электромагнитных волн высочайшей частоты.

И когда к атомам нашей кожи подлетает такая волна, она может «смыть» электроны с их орбит, что повлечет за собой неприятные последствия. При этом сама волна исчезает — в точности, как морская волна, вышедшая на берег и разрушившая песочный замок.

Это и есть энергия или передача способности выполнить какую-то работу.

О том, почему одни электромагнитные волны могут поджарить человека, а другие — разрушить ДНК, мы поговорим в третьей части, где обсудим все вопросы, связанные с влиянием излучения на организм. А пока нам нужно разобраться еще с одним понятием.

Мощность излучения. Или что такое ватты на самом деле?

В ваттах измеряется скорость передачи энергии или, другими словами, мощность.

Например, у нас есть два смартфона с одинаковыми аккумуляторами, только один из них комплектуется блоком питания на 65 ватт, а другой — на 20 ватт. Соответственно, зарядка на 65 ватт будет передавать энергию от розетки к батарее смартфона в 3 раза быстрее. То есть, более мощная зарядка будет делать работу быстрее.

То же можно применить и к любому другому способу передачи энергии.

Например, мощность Wi-Fi роутеров составляет 0.1 ватт, а мощность солнечного излучения на поверхности земли оценивается примерно в 1390 ватт/м². То есть, на один квадратный метр земли приходит почти 1400 ватт энергии. Напомню, под энергией мы лишь подразумеваем способность электромагнитных волн сделать какую-то работу: согреть человека, высушить озеро или сжечь поле.

И всё это происходит благодаря тому, что фотоны/волны сталкиваются с молекулами, атомами, электронами и при столкновении вращают их, заставляют вибрировать или вовсе покидать свои орбиты.

Но что такое 1 ватт? Сколько это энергии или как быстро передается энергия при такой мощности излучения?

В чем измеряется мощность на самом деле

Википедия говорит, что 1 ватт равен передачи энергии со скоростью 1 джоуль в секунду. То есть, при мощности в 1 ватт за 1 секунду совершается работа, на выполнение которой требуется 1 джоуль энергии.

Прежде всего, следует сказать, что вся энергия действительно измеряется в джоулях.

Например, для того, чтобы закипятить литр воды, потребуется 335 тысяч джоулей энергии. При атомной бомбардировке Хиросимы выделилась энергия в 60 триллионов джоулей. А когда я подтягиваюсь на турнике, то трачу порядка 430 джоулей на каждое подтягивание.

Последний пример можно легко перевести в калории и сказать, что при каждом подтягивании мой организм расходует около 100 калорий, так как 1 калория — это 4.19 джоулей.

Заметьте, мы говорим о взрывах, подтягиваниях на турнике, нагревании воды, заводе пружины — всё это такие разные вещи, но при этом все они имеют одну и ту же единицу измерения!

Что же такое джоуль?

Википедия снова подсказывает, что это количество энергии, которое нужно для перемещения предмета на 1 метр при прикладывании к нему силы в 1 ньютон… стоп!

Вам не кажется, что чем сильнее мы углубляемся, тем меньше ответов и больше вопросов?

На самом деле, всё не так страшно. По большому счету, мы можем особо не разбираться в том, что такое ньютоны и другие единицы измерения, ведь мы можем легко почувствовать, что значит «потратить 1 джоуль энергии».

Для этого достаточно просто взять в руку любой предмет весом в 100 грамм и поднять его на 1 метр вверх. Сделав это, вы потратите 1 джоуль энергии.

Вам может показаться, что это незначительное количество энергии, но если мы говорим об электронах, фотонах и других элементарных частицах, то толкнуть 100 грамм на 1 метр — это сумасшедшая энергия. Для сравнения, когда электрон движется в электрическом поле (напряженностью в 1 вольт), он имеет энергию, равную 0.00000000000000000016 джоулей!

Осознавая, что такое 1 джоуль энергии, мы можем легко перейти к ваттам. Так как 1 ватт — это скорость передачи энергии в 1 джоуль за секунду.

Мощность — это просто!

Вернемся к уже рассмотренным примерам. Чтобы потратить энергию в 1 джоуль, достаточно просто поднять предмет массой в 100 грамм на высоту в 1 метр. Если вы сделаете это за секунду, то ваша мощность составила 1 ватт. Любой моторчик мощностью 1 ватт проделает тот же трюк.

Чтобы вскипятить воду, нужно потратить 335 тысяч джоулей. Если у нас есть электрочайник мощностью в 1 ватт, то за каждую секунду он будет выполнять работу в 1 джоуль. За минуту такой электрочайник передаст молекулам воды энергию в 60 джоулей, за час — 3600 джоулей. А уже через 4 дня мы сможем заварить чай!

Можно, конечно, ускорить этот процесс, взяв чайник помощнее, то есть, тот, который сможет передавать молекулам воды за 1 секунду гораздо больше энергии. Например, 2000 ватт мощности сократит время кипячения с 4 суток до 3 минут!

Опять-таки, под фразой «передавать энергию молекулам воды» подразумевается простое столкновение молекул, при котором они разгоняются всё сильнее и сильнее, пока не начинают вылетать из чайника в виде пара.

То есть, нагрев — это такое же движение, как и все остальные виды взаимодействия. А для того, чтобы что-то двигалось, необходимо приложить к этому силу, совершить работу — толкнуть.

И когда какой-то объект толкает что-то, он теряет свою энергию — в точности, как бильярдный шар останавливается (или значительно снижает свою скорость) при столкновении с другим шаром. Можно сказать, что второй шар поглотил энергию первого шара.

Надеюсь, теперь такие термины, как энергия, джоули и ватты стали более понятными и реальными.

А в следующей части мы рассмотрим, что же делают различные электромагнитные волны, проникая в наше тело. Какую именно работу они там совершают, сколько энергии и кому передают, и что дальше с этой энергией происходит.

Алексей, глав. ред. Deep-Review