„Fizyka wysokich energii” – to brzmi bardzo interesująco.

Myślimy sobie: pewno będą wybuchy, może ogromne maszyny... Tymczasem określenie to odnosi się do działu fizyki, w którym typowa energia obiektu jest znacznie mniejsza od jednego dżula i najczęściej nie wystarczyłaby na uruchomienie walkmana zasilanego z baterii paluszkowej. Skąd więc tak nazwa „na wyrost”?

Otóż wszystko co w fizyce się dzieje, trzeba brać w odpowiedniej skali – rzeczywiście – dla nas jedna miliardowa dżula to nic, jednak dla protonu o masie mniejszej od grama o biliony bilionów, to ogromna energia. Gdy ją odniesiemy do masy cząstki, to okaże się, że w tej skali obiekt o masie jednego grama dysponowałby energią setek miliardów kilowatogodzin, czyli mógłby przez pewien czas zasilać spore miasto.

Po co fizykom tak wysokoenergetyczne cząstki?

Odpowiedź nie jest taka trudna do przewidzenia – służą one jako pociski. A do jakich tarcz strzelają? – najczęstszym celem są jądra atomowe, protony, neutrony – ogólnie obiekty mikroświata.
Gdy wysokoenergetyczny proton uderzy w jądro pierwiastka, to zaczynają się dziać niezwykle ciekawe, z punktu widzenia fizyka, rzeczy: następują przemiany jednych cząstek elementarnych w drugie, tworzą się zupełnie nowe cząstki, niekiedy zbudowane z antymaterii. Gdyby jakimś czarodziejskim sposobem udało się nam zajrzeć do wnętrza zbombardowanego jądra atomowego, to zaobserwowalibyśmy, że zawarta w nim „zupa” z cząstek elementarnych zaczyna się gotować – niektóre jej składniki wylatują na zewnątrz, inne przechodzą w stany wzbudzone, jeszcze inne przejściowo zamieniają się w cząstki o nowych właściwościach. Wszystko to dzieje się w niewyobrażalnie krótkim czasie – w skali, w której jedna miliardowa sekundy to cała epoka...

No dobrze... każdy pomyśli, tylko czy ma jakiś sens praktyczny cała ta zabawa z cząstkami?

Tutaj nie ma prostej praktycznej odpowiedzi w rodzaju „będziemy mieli tańsze jądra w atomach...”, lub „zaczniemy na skalę przemysłową produkować złoto z piasku” (co prawda jest to tymi metodami możliwe, tylko zupełnie nieopłacalne). Korzyść jaką odnoszą fizycy z tej cząstkowej kanonady jest przede wszystkim poznawcza – okazuje się, że warunki jakie mają cząstki w akceleratorach (tak się właśnie nazywają urządzenia do nadawania cząstkom wysokich energii) odpowiadają tym w jakich powstawał nasz Wszechświat.

Dzięki badaniom nad cząstkami elementarnymi mamy szansę sięgnąć umysłem w przeszłość sprzed kilkunastu miliardów lat, możemy dowiedzieć się czym jest materia, energia i przestrzeń. Warunki tworzone przez fizyków w akceleratorach są bardzo zbliżone do warunków, jakie mają cząstki wewnątrz gwiazd.

Stosunkowo najbardziej praktycznym możliwym zastosowaniem tego typu badań (nazywanych często badaniami podstawowymi) jest możliwość skonstruowanie reaktora termojądrowego. Tego typu urządzenie zapewniłoby ludzkości energię dziesiątki razy tańszą niż to jest obecnie, a to zmieniłoby niemal całkowicie oblicze świata.
Ale jeszcze powróćmy do spraw protonów cząstek i energii. Dlaczego energię posiadaną przez cząstki porównujemy do ich masy? – odpowiedź kryje się w najsłynniejszym wzorze nowożytnej fizyki – w mitycznym E = m · c². Tych kilka liter wyraża fundamentalną prawdę przyrody, że energia i masa stanowią pewnego rodzaju jedność – zmiana energii obiektu ma swoje odbicie w zmianie masy; lub inaczej: że w pewnych warunkach da się masę zamienić na energię. Dzisiejsza fizyka nie potrafi jeszcze w pełni wykorzystać tego ostatniego procesu – „użytkujemy” tylko małe odłamki mas cząstek. Jednak postęp idzie do przodu, więc może za parę lat doczekamy się urządzeń typu „jednorazowy” samochód, który byłby „tankowany” tylko raz – w fabryce, a potem jeździł przez wiele lat bez konieczności uzupełniania „paliwa”

Co to właściwie jest, ta energia?

Pytanie postawione w tytule jest perfidne, bo choć większość uczniów po roku, czy dwóch pobierania wiedzy fizycznej potrafi wypisać wzory na kilka postaci energii, to określenie w jednym zdaniu, że „energia jest to...” jest zadaniem bardzo trudnym nawet dla geniusza. W zasadzie musimy się pogodzić z tym, że nie ma jednej krótkiej i spójnej definicji tej wielkości. W zamian możemy mówić – a to o energii kinetycznej, a to potencjalnej, elektrycznej, świetlnej, chemicznej, sprężystej, grawitacyjnej itd., jednak nie potrafimy określić samej wielkości precyzyjnie. I tak już chyba zostanie, że mimo poznawania coraz to nowych postaci energii, nie poznamy na nią ani jednolitego, uniwersalnego wzoru, ani prostej reguły wyznaczania.

Niemal każdy jednak lubi sobie wyobrażać wielkości, którymi się posługuje, dlatego postaram się w sposób trochę nieformalny, „na palcach” przybliżyć tą wielkość. Otóż w moim umyśle energia jawi się jako swoiste „paliwo” do wykonywania zmian w otoczeniu. Paliwo w jego konkretnej odmianie powiązane jest z jakimś zjawiskiem, oddziaływaniem: energia chemiczna ma związek z przemianami chemicznymi, jądrowa - stanowi wyjście do przemian jąder atomowych, elektryczna zawiaduje procesami elektrycznymi. To, że energia chemiczna może przekształcać się w kinetyczną można więc tu rozumieć jako: zmiany w strukturze chemicznej mogą powodować zmiany w ruchu obiektów makroskopowych (obiekt makroskopowy to po prostu obiekt naszego zwykłego świata, czyli np. piłka, koń, czy tort urodzinowy). Wspólnym mianownikiem wszystkich rodzajów energii związanych z oddziaływaniami jest w pewnym sensie energia kinetyczna, ponieważ ona daje się „uchwycić” za pomocą prostego pomiaru masy i prędkości. Czyli, jeżeli gdzieś widzimy, wzrost prędkości obiektów, to domyślamy się, że „stoi” za tym jakaś energia, której ubyło w dżulach na wartość „m, v kwadrat przez dwa” (lub jej odpowiednik w relatywistycznej odmianie tego wzoru).

Zrozumienie pojęcia energii wyjaśnia też jaki czynnik decyduje w pewnych zjawiskach. Np. można zadać sobie pytanie: co ma większy wpływ na niszczycielską działalność pocisków niszczących warowne umocnienia – pęd, czy energia kinetyczna? (inaczej to pytanie można postawić tak: czy twórcy armat powinni zwrócić większą uwagę na wzrost masy, czy prędkości pocisków?). Odpowiedź została już właściwie podana – większe znaczenie ma energia kinetyczna, czyli prędkość obiektów. To energia jest tworzywem: niszczenia wiązań, podnoszenia obiektów, wytwarzania ciepła, światła, czy dźwięku. Jeżeli możemy dwukrotnie zwiększyć albo masę, albo prędkość pocisków, to poważniejsze zniszczenia poczynimy skupiając się na wzroście prędkości. Bo, decydująca tu, energia jest proporcjonalna do prędkości w kwadracie, a do masy tylko w pierwszej potędze.

Z wykorzystaniem energii wiąże się jednak jeszcze jedna subtelność. Zastanówmy się nad następującym problemem: postaci energii jest wiele, właściwie można powiedzieć, że jest ona „wszędzie”, więc skąd te trudności z brakiem, czy też kosztami „produkcji” energii? Rzeczywiście, w określeniu „produkcja energii” tkwi pewna nieścisłość – tak naprawdę, to energii nie produkujemy, tylko przekształcamy jej postać trudną do uniwersalnego wykorzystania na postać wygodną do przesłania i uwolnienia, czyli najczęściej na energię elektryczną. Poza tym wielką rolę grają tu poziomy energii. Bo okazuje się, że właściwie nie potrafimy wykorzystywać energii jako takiej, lecz tylko jej nadwyżki ponad poziom odniesienia.

Produkcja energii zachodzi podczas przepływu pomiędzy wyższym i niższym stanem energetycznym - np. elektrownie cieplne zamieniają na prąd mniej niż połowę energii spalanego węgla, czy gazu..

Energię potrafimy tylko przekształcać z postaci mniej, na bardziej wygodną. Właściwie określenie „produkcja energii” jest mylące, bo nikt nie wytworzył jeszcze energii z niczego, ani z obiektu, który energią wcześniej nie był...

Dlatego woda spadająca z poziomu wyżej, na poziom niżej może posłużyć do wytworzenia prądu, ale taka sama woda spoczywająca na poziomie morza turbiną nie zakręci. Podobnie jest z elektrowniami cieplnymi - energia cieplna gorącego kotła umożliwia wytworzenie pary pod ciśnieniem, a ta z kolei może podziałać na łopatki turbiny. Jednak gdyby temperatura taka jak w kotle panowała wszędzie w otoczeniu, to po pewnym czasie para zajęłaby całą przestrzeń i nie byłoby różnicy ciśnień niezbędnej do wytworzenia przepływu. Co ciekawe, analogiczna sytuacja występuje w przypadku energii jądrowej – tam też do wykorzystania jest tylko sama nadwyżka energii jąder ciężkich w odniesieniu do energii jąder środka tablicy Mendelejewa.