אחד המושגים המהותיים ביותר להבנת המציאות הפיזיקלית הוא גם אחד הקשים ביותר להגדרה. למה אנחנו מתכוונים כשאנחנו אומרים "אנרגיה"?

כמו מושגים מדעיים רבים אחרים, המילה "אנרגיה" חדרה לחיינו בשלל מובנים והקשרים. כשאנחנו עייפים אנחנו עשויים להתלונן, "אין לי אנרגיה", מרפאים עממיים מבטיחים לא פעם "מגע אנרגטי" או "אנרגיה קוסמית" ועוד כהנה וכהנה. אך במדע, אנרגיה אינה מילה אחרת למרץ או תכונה על-טבעית קסומה, אלא גודל פיזיקלי חשוב, שעוזר לתאר התנהגות פיזיקלית בכל התחומים – מכניקה ניוטונית, אסטרונומיה, יחסות, מכניקה קוונטית, כימיה וביולוגיה. מהי האנרגיה הזאת בעצם?

הבעיה היא שאף על פי שיש לנו אינטואיציה בסיסית לגבי מהותו של הגודל הבסיסי הזה, קשה להגדיר אותו במדויק. הסיבה היא שאנרגיה מתבטאת בצורות רבות, אבל המהות של האנרגיה איננה האופן שבו היא באה לידי ביטוי. הפתרון שמצאו הפיזיקאים היה להגדיר את האנרגיה לא על ידי מושגי יסוד אינטואיטיביים, אלא על פי התכונה המרכזית שלה, שאפשר לנסח גם כחוק מתמטי טהור: אנרגיה היא גודל שנשמר במערכות סגורות. משמעות המשפט הזה תתברר עוד מעט.

אנרגיה היא גודל פיזיקלי חשוב שמתבטא בצורות רבות, ואפשר להמיר אותן לתנועה. הפקת אנרגיה סולרית, מחום השמש | צילום: ssuaphotos, Shutterstock
אנרגיה היא גודל פיזיקלי חשוב שמתבטא בצורות רבות, ואפשר להמיר אותן לתנועה. הפקת אנרגיה סולרית, מחום השמש | צילום: ssuaphotos, Shutterstock

אנרגיה בשלל גוונים

אנרגיה יכולה ללבוש הרבה צורות. אחת החשובות בהן היא האנרגיה הקינטית – אנרגיה של תנועה. כשגוף פיזיקלי נע במהירות מסוימת, זה אומר שיש לו אנרגיה קינטית שמתאימה למהירות הזו. האנרגיה הקינטית גדלה ככל שהמהירות גדלה, וגם ככל שמסת הגוף הנע גדולה יותר. גם חום הוא אנרגיה קינטית – כשאנחנו מרגישים חום, מה שאנו חשים זו בעצם תנועה לא מסודרת של חלקיקי אוויר או חלקיקים של הגוף שמתחמם. אפילו קול הוא אנרגיה קינטית בחלקו, שכן גלי הקול הם תנודות של חלקיקי האוויר, או של כל תווך אחר שהקול עובר בו.

צורה נוספת שאנרגיה של גוף יכולה ללבוש נובעת מהגובה שבו הוא נמצא. בכדור הארץ, ככל שגוף נמצא בנקודה גבוהה יותר מעל מרכז כוכב הלכת, כך יש לו יותר אנרגיה. האנרגיה של הגובה תלויה גם היא במסה, והיא עולה ככל שמסת הגוף גדלה. כמו כן היא תלויה בכוח הכבידה שמפעיל עליו כדור הארץ.

שתי צורות האנרגיה האלה שונות מאוד זו מזו. מה הקשר בין הימצאותו של גוף במקום גבוה, לתנועה של גוף, לקול או לחום, ואיך יכול להיות שכולם מייצגים אותו דבר? הקשר נובע מכך שאפשר להמיר צורה אחת בצורה שניה. אם יש לי כדור שנמצא על בניין גבוה, אפשר להפוך את הגובה שלו [בניין 1] למהירות בדרך למטה [בניין 2] שחלקה גם יהפוך לקול כשיפגע בקרקע [בניין 3] וחלקה יהפוך למהירות בדרך חזרה למעלה [בניין 4] שתהפוך שוב לגובה [בניין 5]. 

אף על פי שהאנרגיה לבשה צורות שנראות לכאורה שונות מאוד, היא יכולה לדלג ביניהן בקלות. אחרי הנפילה, הכדור לא מגיע לאותו גובה שהיה לו בהתחלה. זה קורה כך בין השאר כי חלק מהאנרגיה הפכה לקול ועברה מהכדור לאוויר, ועכשיו נותרה לכדור פחות אנרגיה. האנרגיה לא מחליפה רק צורות, אלא גם בעלים.

המרת צורות של אנרגיה בחמישה שלבים, כשכדור נופל מגג הבניין, פוגע בקרקע וחוזר למעלה | איור: נעה פלדמן
המרת צורות של אנרגיה בחמישה שלבים, כשכדור נופל מגג הבניין, פוגע בקרקע וחוזר למעלה | איור: נעה פלדמן

אנרגיה כפוטנציאל

במקום להגדיר אנרגיה על פי כל הצורות שהיא יכולה ללבוש, אפשר להגדיר אותה על פי ההתנהגות שלה. אנרגיה היא הדבר הזה שמחליף צורה ועובר מגוף אחד לשני, ויכול, בצורה המתאימה, להתבטא בתנועה. לכל הצורות שהאנרגיה יכולה ללבוש פרט לאנרגיה קינטית קוראים בשם הכולל אנרגיה פוטנציאלית – כי היא מבטאת משהו שיש לו פוטנציאל להפוך בתנאים המתאימים לתנועה, כלומר לאנרגיה קינטית.

אנרגיה פוטנציאלית יכולה להופיע בצורות שונות ומגוונות: למשל, קפיץ מכווץ אוגר בתוכו אנרגיה, אנרגיה שאגורה בחומרים או בתאים שאפשר לשרוף וכך להמיר לחום, אנרגיה חשמלית או אנרגיה של אור ועוד. כל דבר שאפשר להמיר אותו לתנועה, כלומר לאנרגיה קינטית, או לצורה אחרת של אנרגיה שאנחנו מכירים, כמו גובה או חום, מייצג צורה כלשהי של אנרגיה.

תכונה חשובה של האנרגיה היא שהיא נשמרת. אנרגיה לא נעלמת מהיקום אף פעם, היא רק מחליפה צורה. אם המערכת סגורה, כלומר לא מתקשרת עם העולם החיצון, אז האנרגיה לא תעזוב אותה ולא תגדל בתוכה. אם נחזור לרגע לדוגמת הכדור, נניח שהמערכת היא רק הכדור והאוויר. אנרגיית הגובה שהיתה לכדור הפכה לאנרגיית תנועה של הכדור, שהפכה בחלקה לקול, כלומר גל שנע באוויר, אבל כמות האנרגיה הכוללת נשארה ללא שינוי. לתכונה הזאת של האנרגיה קוראים חוק שימור האנרגיה.

חוק שימור האנרגיה חשוב, כי הוא עוזר לנו להבין את העולם ולחזות איך מערכות פיזיקליות יתנהגו. אנחנו יודעים שאם למערכת סגורה מסוימת יש אנרגיה כלשהי בתחילת ניסוי, תהיה לה אותה אנרגיה לכל אורכו. התכונה הזאת יכולה לעזור לנו להבין את התנהגות המערכת במהלך הניסוי. קחו לדוגמה את הגולה שצולחת את המסלול ההררי הזה:

אם אנו יודעים כמה אנרגיה יש לגולה, אנו יכולים  לחשב את מהירותה בכל נקודה לאורך המסלול | איור: נעה פלדמן
האנרגיה משנה צורה לאורך המסלול. אם אנו יודעים כמה אנרגיה יש לגולה, אנו יכולים  לחשב את מהירותה בכל נקודה לאורך המסלול | איור: נעה פלדמן

כמות האנרגיה לאורך כל התנועה היא בערך שווה. מעט ממנה עובר לחימום האוויר, וכן לחימום הגולה עצמה והמסלול עקב החיכוך של הגולה עם המסלול ועם האוויר, אבל מדובר בכמות קטנה מספיק כדי שנוכל להתעלם ממנה בדרך כלל. לפיכך אנחנו יודעים בכל נקודה כמה אנרגיה בדיוק יש לגולה, ומכאן נוכל להבין מה תהיה המהירות שלה בכל נקודה.

האנרגיה נשמרת אפילו כשאנחנו עוברים לדבר על תיאוריות פיזיקליות מסובכות יותר. ככל שהתיאוריה מסתבכת, האנרגיה עשויה לבוא בה לידי ביטוי בצורות מוזרות יותר ויותר. למשל בתורת היחסות של אלברט איינשטיין, שעוסקת בין השאר בחלקיקים מהירים מאוד כמו אור או קרינה, וגם בגופים כבדים מאוד כמו גלקסיות, אנחנו מגלים שעצם קיומו של חומר עם מסה הוא צורה של אנרגיה בפני עצמו, גם אם החומר לא זז בכלל. הקשר הזה משתקף גם בנוסחה המפורסמת של איינשטיין, E=mc2, שמבטאת בעצם את היחס בין אנרגיה (E) למסה (m).

ביקוע גרעיני | איור: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY
גם בתוך גרעין האטום אצורה אנרגיה רבה, והיא משתחררת כאשר הגרעין מתפרק. ביקוע גרעיני | איור: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY

בפיזיקה גרעינית נגלה שהקשרים בין החלקיקים שמרכיבים את האטום מכילים אנרגיה, שנקראת אנרגיה גרעינית. בכימיה נראה שהקשרים בין האטומים שמרכיבים את מולקולות החומרים מכילים אנרגיה אלקטרומגנטית. מחקרים רבים כיום עוסקים במציאת מקורות אנרגיה שנקראת אנרגיה מתחדשת, כלומר אנרגיה שמקורה בתהליכים טבעיים מתמשכים, שאינם מתכלים כשאנו ממירים את האנרגיה האצורה בהם לצורה שנוכל לנצל, כמו אנרגיית השמש

אנרגיה היא גודל קצת מוזר להגדרה, בגלל הצורות הרבות שהיא לובשת. אבל אם נסתכל סביבנו נוכל לזהות הרבה מאד צורות שלה. הבנה של אנרגיה ושל חוק שימור האנרגיה עוזרת לנו להבין את ההתנהגות של העולם סביבנו, והיא כלי חשוב בחקר מערכות פיזיקליות, כימיות וביולוגיות רבות.