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Warum bleibt Energie erhalten, und wo endet diese Regel? - Die Evolution des Energiebegriffs von der Vis viva zur Quantenmechanik | Fakten zum Einschlafen - Das Universum · Fakten zum Einschlafen – Das Universum

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  Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum.
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  Die meisten von uns haben in der Schule gelernt,
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  dass Energie einfach die Fähigkeit ist, Arbeit
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  zu verwichten. Diese Definition klingt einleuchtend
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  und alltagstauglich, doch sie verbirgt eine stille
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  Unvollständigkeit. Sie beschreibt lediglich was
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  Energie in bestimmten Situationen bewirken kann,
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  nicht aber, was sie tatsächlich ist. Die Kluft
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  zwischen diesen beiden Fragen hat die Physik
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  über drei Jahrhunderte beschäftigt. Diese Episode
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  folgt dem historischen Weg dieser Begriffsschärfung,
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  beginnend im Jahr 1668 mit Gottfried Wilhelm
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  Leibniz und seiner Vis Viva. Wir betrachten die
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  langen Streitigkeiten zwischen Kartesianern und
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  Leibnizianern, die Erweiterung des Konzepts durch
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  die Thermodynamik und die tiefgreifende Erkenntnis
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  von Emmy Nowather, dass Energieerhaltung eine
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  mathematische Notwendigkeit aus der Zeitverschiebungssymmetrie
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  ist. Dabei wird auch deutlich, wo unsere alltäglichen
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  Vorstellungen an Grenzen geraten, etwa bei der
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  Unterscheidung zwischen Energie und verfügbarer
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  Energie, der sogenannten Exergie. Bei der Arbeit
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  an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu
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  einer einfachen Frage zurück. Warum fühlt sich
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  eine Definition, die wir alle als gesunden Menschenverstand
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  akzeptieren, für die Physik so unzureichend an?
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  Mich fasziniert, wie aus einer vagen Idee über
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  die Kraft der Bewegung ein präzises mathematisches
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  Ordnungsprinzip wurde, das selbst in den extremsten
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  Bereichen unserer expandingierenden Raumzeit
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  noch gilt. Oder eben gerade nicht mehr. Es ist
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  eine Geschichte der geklärten Verwirrung, die
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  uns zeigt, dass die wahren Ränder unseres Wissens
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  oft genau dort liegen, wo die scheinbar einfachsten
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  Begriffe ihre Gültigkeit verlieren. Die meisten
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  von uns haben gelernt, dass Energie einfach die
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  Fähigkeit ist, Arbeit zu verrichten. Eine Definition,
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  die so ordentlich wirkt, dass sie sich wie gesunder
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  Menschenverstand anfühlt. Aber der gesunde Menschenverstand
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  wirft, wie wir noch sehen werden, zwei ziemlich
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  verschiedene Dinge in einen Topf. Und die Unterscheidung
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  zwischen ihnen hat die Physiker da Jahrhunderte
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  gekostet, um sie sauber zu ziehen. Energie ist
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  die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. So begegnen
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  wir dem Begriff zum ersten Mal. Ein bewegter
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  Körper trägt Energie, weil er auf etwas treffen
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  und es verschieben kann. Ein angehobenes Gewicht
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  speichert Energie, weil es herabsinken und seinerseits
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  ein anderes Gewicht heben kann. Eine gespannte
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  Feder hält Energie, weil sie sich entspannen
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  und einen Mechanismus antreiben kann. Die Definition
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  fühlt sich sofort richtig an. Sie knüpft an die
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  alltägliche Erfahrung an. Wir sehen, dass Arbeit
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  verrichtet wird. Und wir spüren, dass etwas im
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  Voraus vorhanden sein muss, um das möglich zu
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  machen. Aber diese Definition, so einleuchtend
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  sie ist, trägt eine stille Unvollständigkeit
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  in sich. Sie beschreibt, was Energie in einem
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  bestimmten Fall bewirken kann. Sie erfasst nicht,
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  was Energie tatsächlich ist. Und die Kluft zwischen
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  dem, was Energie tut, und dem, was Energie ist,
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  hat mehr als drei Jahrhunderte der Verfeinerung,
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  Korrektur und allmählichen Schärfung vorangetrieben.
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  Heute Abend möchte ich diesen Weg mit Ihnen gehen.
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  Nicht um Ihre Anschauung zu ersetzen, sondern
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  um Ihnen zu zeigen, wie der Begriff gezwungen
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  wurde, exakter zu werden, als seine ersten Erfinder
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  es sich vorstellten. Wir beginnen im Jahr...
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  1666 mit Gottfried Wilhelm Leibniz. Leibniz war
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  nicht der erste, der über Kraft oder Bewegung
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  nachdachte. Vor ihm hatte Descartes vorgeschlagen,
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  dass das, was in der Natur zählt, die Bewegungsgröße
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  sei. Das ist das, was wir heute Impuls nennen,
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  Massimalgeschwindigkeit. Das Produkt daraus,
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  wie schwer etwas ist. und wie schnell es sich
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  bewegt. Leibniz widersprach. Er argumentierte,
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  dass das, was in der Natur wirklich erhalten
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  bleibt, nicht massimal Geschwindigkeit sei. Was
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  wirklich die Fähigkeit eines bewegten Körpers
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  darstellt, Wirkungen hervorzubringen, sei massimal
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  Geschwindigkeit zum Quadrat. Er nannte diese
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  Größe wie's Fieber lebendige Kraft. Leibniz hatte
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  ein konkretes physikalisches Argument. Stellen
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  Sie sich vor, ein Einpfund Gewicht wird vier
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  Fuß in die Höhe gehoben. Stellen Sie sich vor,
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  ein Vierpfund Gewicht wird einen Fuß gehoben.
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  Dieselbe Kraft ist in einem anschaulichen Sinn
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  im Spiel. Und doch sind die Bewegungsgrößen verschieden.
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  ist das Produkt aus Gewicht und Höhe. Das entspricht
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  bei fallenden Körpern der Geschwindigkeit zum
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  Quadrat. Leibniz glaubte, dass Gott, der ein
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  vollkommenes Universum geschaffen habe, nicht
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  zulassen würde, dass Kraft verloren geht. Was
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  erhalten blieb, war nicht bloße Bewegung, sondern
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  die wahre Macht, Veränderung hervorzubringen.
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  Und diese Macht wuchs mit dem Quadrat der Geschwindigkeit.
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  Das war kein bloßer technischer Streit. Es war
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  die zentrale Kontroverse der Mechanik des 18.
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  Jahrhunderts. Die Kartesianer verteidigten den
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  Impuls. Die Leibnizianer verteidigten die Fis
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  -Viva. Die Debatte tobte jahrzehntelang, weil
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  keine Seite den begrifflichen Rahmen besaß, um
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  zu erkennen, dass beide Größen wichtig waren.
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  Sie waren nur unter verschiedenen Umständen wichtig.
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  Die teilweise Auflösung kam 1743 von Jean d 'Alembert.
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  Er zeigte mathematisch, dass beide erhalten bleiben
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  konnten, je nachdem, was man maß. Die experimentelle
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  Klärung kam von Émilie du Chatelet. Sie wies
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  nach, dass fallende Körper, die in Ton eindrangen,
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  dies bis zu Tiefen taten, die proportional zum
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  Quadrat der Geschwindigkeit waren, nicht zur
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  Geschwindigkeit selbst. Die Vis Viva, so schien
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  es, erfasste etwas Reales über Aufprall und Verformung,
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  das der Impuls nicht erfasste. Doch selbst als
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  diese Kontroverse sich legte, blieb der Begriff
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  eng. Die Vis Viva galt nur für bewegte Körper.
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  Sie hatte nichts über Wärme zu sagen, nichts
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  über Licht, nichts über chemische Veränderung.
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  Wenn zwei unelastische Körper zusammenstießen
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  und aneinander haften blieben, schien die Vis
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  Viva vollständig zu verschwinden. Der Begriff
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  konnte nicht erklären, wohin die lebendige Kraft
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  ging. Das war keine kleine Einschränkung. Es
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  war eine grundlegende Grenze, die für ein weiteres
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  Jahrhundert nicht überschritten werden sollte.
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  Eine Zeit lang schien diese Erklärung innerhalb
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  ihres Bereichs auszureichen. Mechanische Probleme
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  ließen sich lösen. Die Ingenieurskunst schritt
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  voran. Aber das Industriezeitalter brachte neue
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  Phänomene hervor, die den Rahmen überdienten.
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  Dampfmaschinen verwandelten Wärme in Bewegung.
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  Doch Wärme war keine Bewegung im mechanischen
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  Sinn. Reibung schien Bewegung zu zerstören und
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  dabei Wärme zu erzeugen. Die Wärmestofftheorie
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  schlug vor, dass Wärme eine feine Flüssigkeit
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  sei. Aber das schuf mehr Probleme, als es löste.
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  Graf Homforts Kanonenbohrexperimente im Jahr
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  1798 zeigten, dass Wärme durch mechanische Arbeit
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  ohne Begrenzung erzeugt werden konnte. Das war
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  ein Hinweis darauf, dass Wärme keine erhaltene
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  Substanz war, sondern etwas, das durch Bewegung
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  selbst entstand. Nach und nach erkannten die
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  Physiker eine Begrenzung, die zu bleich eine
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  Gelegenheit war, Wenn der scheinbare Verlust
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  an Bisbee war, bei unelastischen Stößen gar kein
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  Verlust war. Was, wenn er in etwas anderes verwandelt
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  wurde? In etwas, das unter den richtigen Bedingungen
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  zurückgewonnen werden konnte. Der begriffliche
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  Durchbruch der 1840er Jahre, unabhängig erreicht
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  von Julius Robert von Meyer, James Prescott Juhle
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  und Hermann von Helmholtz, bestand in einer neuen
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  Erkenntnis. Wärme, mechanische Arbeit, elektrische
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  Wirkungen und chemische Veränderung waren alles
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  Erscheinungsformen einer einzigen erhaltenen
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  Größe. Energie, wie Thomas Young sie 107 genannt
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  hatte, war nicht bloß mechanisch. Sie war universell.
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  Der erste Hauptsatz der Thermodynamik gab dieser
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  Einsicht mathematische Form. Die Änderung der
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  inneren Energie eines Systems ist gleich der
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  zugeführten Wärme minus der verrichteten Arbeit.
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  Das klingt einfach, aber sein begriffliches Gewicht
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  ist enorm. Energie wurde eine Zustandsgröße.
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  Sie wurde eine Eigenschaft eines Systems, die
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  nur von seinem gegenwärtigen Zustand abhängt,
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  nicht davon, wie es dorthin gelangt ist. Der
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  Weg zählt für Wärme und Arbeit jeweils einzeln.
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  Aber ihre Differenz, die Energieänderung, tut
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  es nicht. Das war die erste große Erweiterung.
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  Energie als Buchhaltungsprinzip über alle physikalischen
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  Bereiche hinweg. Doch die populäre Vereinfachung,
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  die aus dieser Zeit hervorging, trug eine subtile
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  Verzerrung in sich. Energie als die Fähigkeit,
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  Arbeit zu verrichten, wurde zur Standarddefinition
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  der Lehrbücher. Sie besteht bis heute. Und sie
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  ist nicht geradezu falsch. Aber sie ist unvollständig.
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  Auf eine Weise, die erst sichtbar wird, wenn
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  man genau hinsieht. Stellen Sie sich einen massiven
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  Metallblock vor, der gleichmäßig rotglühend leuchtet.
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  Jedes Atom in ihm zittert heftig. Jedes trägt
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  echte kinetische Energie. Der Block enthält reichlich
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  innerer Energie. Nun stellen sie sich ein winziges
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  Schaufelrad vor, das an seine Oberfläche gedrückt
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  wird und Bewegung entnehmen will. Nichts geschieht.
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  Das atomare Zittern ist vollkommen zufällig,
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  chaotisch in alle Lichtungen zugleich. Auf jeden
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  Stoß gegen das Schaufelrad von einer Seite kommt
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  ein anderer Stoß von einer anderen, der ihn aufhebt.
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  Die Energie ist real. Aber sie ist ein richtungsloser
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  Sturm. die in alle Richtungen gleich laut ruft,
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  sodass keine klare Botschaft entsteht. Ohne einen
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  kühleren Ort, zu dem die Wärme fließen kann,
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  ohne ein Gefälle, das diesem Chaos eine Vorzugsrichtung
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  gibt, bleibt die Energie eingeschlossen und unverfügbar.
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  Keine Maschine kann aus einem einzigen Wärmereservoir
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  mechanische Leistung gewinnen. Das ist die Lehre
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  des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, entwickelt
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  von Sadi Carnot, Rudolf Clausius und William
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  Thomson. Energie bleibt erhalten, aber ihre Verfügbarkeit
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  nicht. Die populäre Definition wirft Energie
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  mit verfügbarer Energie zusammen. Sie wirft sie
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  mit dem zusammen, was Thermodynamiker später
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  Exergie nannten. Ein System kann reichlich Energie
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  besitzen, und dennoch unfähig sein, Arbeit zu
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  verrichten. Die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten,
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  hängt nicht allein von der Energie ab. Sie hängt
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  von Energieunterschieden ab, von Gefällen, von
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  der Möglichkeit des Fließens von Höhe zu Niedriger.
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  Diese Unterscheidung ist praktisch und begrifflich
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  bedeutsam. Sie erklärt, warum wir keine Perpetuum
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  -Mobile der zweiten Art bauen können. Sie erklärt,
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  warum Energie -Ressourcen sich erschöpfen, obwohl
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  die Energie selbst erhalten bleibt. Sie erklärt,
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  warum der Wärmetod des Universums ein plausibler
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  Endpunkt ist, obwohl die gesamte Energie konstant
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  bleibt. Die Vereinfachung führte in die Irre,
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  weil sie mehr zu versprechen schien als Energie
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  hält. Energie ist die erhaltene Größe. Exergie
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  ist das, was Maschinen antreibt. Die beiden sind
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  nicht dasselbe. Mit der Entwicklung des Formalismus
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  tat eine weitere Schicht der Präzision hervor.
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  In den Jahren 1833 und 1834 formulierte William
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  Rowan Hamilton die Mechanik neu. Er verwendete
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  Bekliffe dessen, was wir heute die Hamilton -Funktion
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  nennen, die Summe aus kinetischer und potenzieller
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  Energie. Das war keine bloße mathematische Umordnung.
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  Es offenbarte, dass Energie, richtig verstanden,
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  die zeitliche Entwicklung eines Systems erzeugt.
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  Kennt man die Hamilton -Funktion, kann man ableiten,
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  wie sich jede beliebige Größe verändert. Energie
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  wurde nicht nur eine erhaltene Zahl, sondern
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  das zentrale Ordnungsprinzip der Dynamik. Die
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  volle Bedeutung dieser Struktur wurde erst 1915
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  klar, als Emmy Noether ihren berühmten Satz bewies.
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  Sie zeigte, dass jeder kontinuierlichen Symmetrie
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  der physikalischen Gesetze eine Erhaltungsgröße
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  entspricht. Die Zeitverschiebungsymmetrie, die
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  Tatsache, dass die Gesetze der Physik sich von
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  einem Moment zum nächsten nicht ändern, zieht
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  die Energieerhaltung nach sich. Das war eine
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  tiefgreifende Erhebung. Die Energieerhaltung
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  war keine unabhängige empirische Tatsache mehr,
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  etwas, das man beobachtet und katalogisiert hatte.
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  Sie wurde eine mathematische Notwendigkeit. Sie
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  war ableitbar aus der tieferen Eigenschaft, dass
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  die Gesetze der Natur in der Zeit unveränderlich
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  sind. Um zu spüren, was das bedeutet, stellen
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  Sie sich vor, Sie gehen eine Straße entlang,
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  die vollkommen eben, und endlos in jede Richtung
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  ist. Keine Weckmaten, keine Hügel, keine Wechsel
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  der Beschaffenheit. Der Anblick bei jedem Schritt
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  ist identisch mit dem Anblick bei jedem anderen.
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  Weil die Straße keine Merkmale hat, die einen
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  Ort vom anderen unterscheiden, gibt es nichts,
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  was sie schneller oder langsamer werden ließe.
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  Ihr Tempo bleibt, einmal gesetzt, konstant. Die
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  Gleichförmigkeit der Straße, ihre Symmetrie unter
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  Verschiebung, ist genau das, was ihre Bewegung
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  erhält. Noethas Satz macht das präzise. Wo immer
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  die Gesetze der Physik diese merkmalsohse Qualität
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  in der Zeit teilen, wo immer kein Moment anders
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  markiert ist als ein anderer, kann eine entsprechende
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  Größe sich nicht ändern. Diese Größe ist Energie.
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  Mit der Zeit wurde die Definition gleichzeitig
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  enger und tiefer. Energie war keine Substanz,
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  keine Flüssigkeit, kein Ding, das von Ort zu
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  Ort fließt. Das galt trotz unserer Metaphern.
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  Sie war eine Eigenschaft physikalischer Systeme,
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  eine erhaltene Größe, die aus der Symmetrie hervorging.
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  Die Hamilton -Formulierung gab ihr präzisen mathematischen
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  Ausdruck. Neuters Satz gab ihr grundlegenden
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  Status. Der Begriff war weit gereist, seit Leibniz
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  wie es wie war. Und doch überlebte etwas von
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  seiner Einsicht, die Erkenntnis, dass eine bestimmte
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  berechenbare Größe, verbunden mit der Fähigkeit
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  zur Veränderung, durch alle Transformationen
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  hindurch unverändert bleibt. Dann kam Einstein
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  im Jahr 1905 und der Begriff verwandelte sich
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  erneut. Die Äquivalenz von Masse und Energie
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  zeigte, dass Masse selbst eine Form von Energie
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  ist. Die Unterscheidung zwischen Materie und
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  Energie, die durch die Energetik -Kontroversen
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  des späten 19. Jahrhunderts so sorgfältig aufrechterhalten
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  worden war, war nicht grundlegend. Ein Kilogramm
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  beliebiger Substanz stellt, vollständig umgewandelt,
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  eine immense Energiemenge dar. Das war nicht
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  bloß eine Ergänzung des Energiebegriffs. Es war
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  eine Vereinheitlichung. Was getrennte Kategorien
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  geschienen hatten, wurde eins. Die Energetikschule,
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  angeführt von Wilhelm Ostwald und Georg Helm,
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  hatte tatsächlich so etwas wie diese Vereinheitlichung
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  vorweggenommen. Aber sie kam aus der falschen
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  Richtung. Sie schlug vor, dass Energie, nicht
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  Materie, die grundlegende Substanz der Wirklichkeit
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  sei. Atome seien lediglich bekleme Fiktionen.
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  Ludwig Boltzmann verteidigte den Atomismus gegen
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  diese Auffassung. Die Debatte schien 1908 entschieden,
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  als Jyn Perrins Experimente zur Braun'schen Bewegung
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  die physikalische Realität der Atome bestätigten.
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  Doch die Äquivalenz von Masse und Energie machte
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  jeden einfachen Sieg kompliziert. Materie und
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  Energie waren ineinander umwandelbar. Keiner
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  von beiden war ontologisch primär. Die richtige
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  Auflösung war nicht der Energetismus, sondern
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  die Äquivalenz. Eine Symmetrie zwischen Formen
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  statt einer Zurückführung der einen auf die andere.
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  Schließlich trat eine klarere Struktur hervor,
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  um zu verstehen, wo die Energieerhaltung gilt
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  und wo nicht. In der allgemeinen Relativitätstheorie
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  Einsteins Theorie der Gravitation ist die Raumzeit
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  selbst dynamisch. Sie krümmt sich und entwickelt
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  sich. Es gibt keinen festen Hintergrund, keine
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  universelle Zeit, an der alle Ereignisse gemessen
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  werden könnten. Folglich gibt es keine globale
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  Zeitverschiebungssymmetrie. Und wo es keine solche
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  Symmetrie gibt, garantiert Noeders Satz keine
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  Energieerhaltung. Das ist kein Versagen der Physik.
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  Es ist eine Randbedingung des Begriffs. Energie
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  ist in der allgemeinen Relativitätstheorie lokal
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  erhalten. An jedem Punkt der Raumzeit erfüllt
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  der Energieimpulstensor, der Dichte und Fluss
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  von Energie und Impuls darstellt, ein lokales
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  Erhaltungsgesetz. Aber diese lokale Erhaltung
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  fügt sich nur unter besonderen Umständen zu einer
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  globalen Erhaltung zusammen, Das geschieht, wenn
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  die Hornzeit das besitzt, was Mathematiker ein
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  zeitartiges Killingvektorfeld nennen. Das ist
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  eine spezifische Symmetrie, die den meisten realistischen
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  Hornzeiten fehlt. Die Folgen sind subtil und
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  werden oft missverstanden. Ein expandierendes
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  Universum zum Beispiel erhält die gesamten Ergie
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  der Strahlung nicht in der Weise, wie wir es
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  erwarten würden. Die Wellenlängen der Photonen
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  dehnen sich, während der Raum expandiert. Ihre
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  Energie nimmt ab. Und es gibt keinen ausgleichenden
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  Gewinn anderswo. Das ist keine Verletzung der
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  Physik. Es ist die Erkenntnis, dass der Energiebegriff,
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  geschärft zu seiner modernen Form, in gekrümmter
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  Raumzeit anders wirkt als in flacher. Die Grenze
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  ist nicht willkürlich. Sie ist mathematisch präzise.
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  Die Gravitationsenergie selbst veranschaulicht
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  die begriffliche Schwierigkeit. In der newtonschen
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  Physik ist die potenzielle Gravitationsenergie
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  unkompliziert. Sie ist die Energie, die ein System
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  aufgrund seiner Anordnung in einem Gravitationsfeld
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  besitzt. In der allgemeinen Relativitätstheorie
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  ist Gravitation kein Kraftfeld, sondern Raumzeitklimmen.
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  Es gibt keine lokale Energiedichte des Gravitationsfeldes,
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  auf die sich alle Beobachter einigen könnten.
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  Verschiedene mathematische Vorschriften existieren.
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  Pseudotensuchen, vorgeschlagen von Einstein,
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  Landau und Lifschitz, Möller und anderen. Aber
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  keine ist allgemein kovariant. Keine liefert
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  in allen Koordinatensystemen dieselbe Antwort.
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  Ob Gravitationsenergie sinnvoll lokalisiert werden
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  kann, bleibt eine offene begriffliche Grenze.
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  Das ist kein Versagen der Theorie, sondern eine
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  Grenze dessen, was der Begriff erfassen kann.
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  Die moderne Definition, gefestigt durch diese
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  lange Verfeinerung, ist präzise, aber abstrakt.
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  Energie ist die erhaltene Noether -Ladung, die
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  mit der Zeitverschiebungsinvarianz in der Lagrange
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  -Feldtheorie verbunden ist. In der Quantenmechanik
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  ist sie der Eigenwert des Hamilton -Operators,
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  des Erzeugers der Zeitentwicklung. In der Quantenfeldtheorie
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  erscheint sie als Zeitkomponente des Energieimpuls
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  -Vierervektors. Operativ messen wir Energie nie
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  direkt. Wir messen ja Umwandlungen und Übertragungen.
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  Wärme in Kalorimetern. Protonen in Erdien in
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  Spektrometern. Kinetische Energien über Impulsmessungen.
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  Die theoretische Einheit existiert auf einer
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  Abstraktionsebene oberhalb jedes einzelnen Experiments.
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  Was auf diesem Weg verworfen oder korrigiert
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  wurde, ist ebenso lehrreich wie das, was überlebte.
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  Die Gleichsetzung von Energie ausschließlich
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  mit mechanischer Bewegung wurde zurückgewiesen.
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  Die Wärmestofftheorie, die Wärme als Substanz
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  auffasste, wurde widerlegt. Die Vorstellung von
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  Energie als einer physikalsartigen Entität, die
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  zwischen Körpern fließt, wurde als irreführende
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  Metapher erkannt. Das geschah, obwohl sie in
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  der Alltagssprache fortbesteht. Die Idee, dass
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  Energieerhaltung ein unabhängiges, empirisches
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  Gesetz sei, wurde unter Symmetrieprinzipien eingeordnet.
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  Die Definition als Fähigkeit, Arbeit zu verrichten,
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  wurde zu einem Sonderfall herabgestuft. Pädagogisch
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  nützlich, aber formal unzureichend. Was überlebte,
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  ist ebenso klar. Die Kerneinsicht, dass irgendeine
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  Größe durch alle physikalischen Transformationen
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  hindurch erhalten bleibt, die Leibniz in der
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  Vis Viva zuerst erahnte, wurde stärker und allgemeiner.
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  Die Verbindung zwischen Energie und der Fähigkeit
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  zur Veränderung, wenn auch nicht streng zur Arbeit,
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  blieb bestehen. Die spezifische mathematische
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  Form, Masse mal Geschwindigkeit zum Quadrat,
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  entwickelte sich zur modernen Formel für kinetische
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  Energie mit ihrem Faktor ein Halb. Aber die quadratische
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  Abhängigkeit von der Geschwindigkeit blieb. Die
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  thermodynamische Erkenntnis, dass Energie eine
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  Zustandsgröße ist, die nur vom gegenwärtigen
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  Zustand abhängt, überlebte und vereinigte sich
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  mit der mechanischen Tradition. Verbleibende
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  begriffliche Grenzen sind keine Fehlschläge des
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  Verstehens, sondern Fronten der Forschung. Das
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  Problem der kosmologischen Konstante steht an
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  erster Stelle. Die Quantenfeldtheorie sagt eine
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  Vakuumenergiedichte voraus, die Energie des leeren
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  Raums aufgrund von Quantenfluktuationen. Diese
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  Vorhersage übersteigt den beobachteten Wert um
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  einen Faktor von 10 hoch 120. Das ist keine kleine
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  Abweichung. Es ist die bedeutendste Diskrepanz
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  zwischen Theorie und Beobachtung in der Physik.
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  Ob Vakuumenergie genauso gravitiert wie gewöhnliche
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  Energie, Warum ihr beobachteter Wert so klein
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  ist, ob sie mit dunkler Energie zusammenhängt,
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  der unbekannten Komponente, die die kosmische
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  Beschleunigung antreibt, all das bleibt ungelöst.
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  Die Energiebedingungen der allgemeinen Relativitätstheorie
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  bilden eine weitere Grenze. Es sind Annahmen
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  über die Eigenschaften des Energieimpuls -Tensors.
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  Sie werden verwendet, um zu beweisen, dass Singularitäten
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  unter Gravitationskollaps unvermeidlich sind,
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  dass schwarze Löcher entstehen, dass das Universum
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  einen Anfang hatte. Doch Quantenfelder können
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  alle klassischen Energiebedingungen verletzen.
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  Die Spannung zwischen klassischer allgemeiner
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  Relativitätstheorie und Quantenfeldtheorie erscheint
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  genau an den Grenzen, an denen der Energiebegriff
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  am sichersten schien. Die dunkle Energie selbst?
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  Was auch immer ihre Natur ist, fordert unser
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  Verständnis heraus. Wenn sie eine kosmologische
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  Konstante ist, stellt sie eine konstante Energiedichte
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  des Raumes selbst dar. Unveränderlich, während
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  das Universum expandiert. Das impliziert eine
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  Gesamten -AG, die ohne Grenze wächst. Wenn sie
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  ein dynamisches Feld ist, Quintessenz, entwickeln
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  sich ihre Eigenschaften. Wenn sie auf eine Modifikation
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  der allgemeinen Relativitätstheorie hindeutet,
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  muss die Verbindung zwischen Energie und Raumzeitkrümmung
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  möglicherweise überarbeitet werden. Der Energiebegriff,
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  über Jahrhunderte geschärft, weist nun auf eine
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  tiefere Theorie, in der er selbst verwandelt
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  werden könnte. Wenn Sie das nächste Mal hören,
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  dass Energie die Fähigkeit ist, Arbeit zu verrichten,
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  werden Sie wissen, Dass hier das Verstehen beginnt,
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  nicht endet. Sie werden wissen, dass Energie
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  erhalten bleibt, nicht weil wir es in jedem Fall
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  beobachtet haben, sondern weil die Gesetze der
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  Physik sich in der Zeit nicht ändern. Sie werden
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  wissen, dass in einem expandierenden Universum,
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  im Inneren eines schwarzen Lochs, im Quantenvakuum
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  die einfache Definition an ihre Grenzen stößt.
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  Und dass diese Grenzen selbst präzise definiert
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  sind. Sie werden wissen, dass der Begriff Render
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  hat, dass er nicht überall auf dieselbe Weise
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  gilt und dass diese Begrenztheit ein Zeichen
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  von Eife ist, nicht von Mangel. Präzision ist
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  stiller als Spekulation. Die Geschichte der Energie
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  ist keine Geschichte eines enttüllten Geheimnisses,
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  sondern einer geklärten Verwirrung. Eine allmähliche
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  Trennung breiter Anschauungen in getrennte Begriffe.
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  die einst zu viel bedeutete und schließlich genau
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  das bedeutete, was sie bedeuten muss. Schwierige
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  Ideen werden präzise, wenn wir uns weigern, sie
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  fage zu lassen. Wenn wir darauf bestehen, genau
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  zu wissen, wovon wir sprechen. Und genau, wo
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  unser Wissen endet. Diese Genauigkeit, nicht
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  ihr Drama, ist es, was sie verstehenslödig macht.