16. Den uforgængelige energi

I dag lever vi i energiens tidsalder. Energi er en fysisk størrelse, men det er også en profitabel handelsvare, et politisk mantra med stor international betydning, en forureningskilde og en livsbetingelse. Det er en så væsentlig størrelse, at den i mange lande har fået sit eget ministerium. I betragtning af energiens massive betydning kunne man tro, at begrebet går langt tilbage i historien, men det er ikke tilfældet. Ganske vist kan ordet energeia findes hos Aristoteles, men han brugte det i en helt anden betydning end den, vi kender i dag. Den nuværende betydning er tæt knyttet til loven om energiens bevarelse, uden hvilken energien ikke ville være en virkelig fundamental størrelse.

Isaac Newton (1642-1727) kendte hverken til energi eller energibevarelse. Først i slutningen af 1700-tallet blev begreber som kinetisk og potentiel energi – eller på dansk bevægelsesenergi og beliggenhedsenergi – defineret inden for den mekaniske fysik, og man fik så småt færten af en sammenhæng mellem varme og mekanisk arbejde. Denne sammenhæng viser sig tilsyneladende umiddelbart i de dampmaskiner, der netop da begyndte at sætte deres præg på samfundet, men man opfattede på den tid stadig varme som en væskeagtig substans (caloric) snarere end en energiform. Vi skal frem til 1840’erne, efter caloric var lagt i graven og varme blevet til en form for bevægelse, før det moderne energibegreb opstod i forbindelse med loven om energiens bevarelse. I betragtning af den nytte og nærmest guddommelige status, denne lov har, er det bemærkelsesværdigt, at den oprindeligt blev opdaget af to amatører uden nogen uddannelse i fysik. I 1842 foreslog den tyske læge Julius Robert Mayer (1814-1878) fra Heilbronn, at energien var bevaret, og kort tid senere nåede den engelske brygger og amatørforsker James Prescott Joule (1818-1889) fra Manchester uafhængigt til samme konklusion. Loven blev formuleret i sin fulde generalitet af Mayers landsmand, den lægeuddannede fysiker Hermann von Helmholtz (1821-1894), der i 1847 udgav en vigtig afhandling om emnet, Ueber die Erhaltung der Kraft (Om Kraftens Bevarelse). Med Helmholtz’ bidrag blev sætningen om energiens bevarelse et grundlag for termodynamikken eller den almene lære om energien og dens forandringer.

Ifølge loven om energibevarelse er der i naturen forskellige former for energi – varme, lys, bevægelse, kemiske omdannelser etc. – og disse har to bemærkelsesværdige egenskaber, nemlig omsættelighed og bevarelse. De forskellige former kan omdannes til hinanden, men uanset omdannelsens art vil den samlede energimængde i et lukket system, der ikke udveksler energi med omgivelserne, være uændret. Eller som den tyske fysiker Rudolf Clausius (1822-1888) senere udtrykte det på mere grandios vis: Energien i universet er konstant. Det afgørende er med andre ord, at energi ikke kan opstå eller forsvinde, den kan kun ændre form. Loven kendes også som termodynamikkens første hovedsætning.

Den anden hovedsætning vedrører entropien eller energiens evne til at udføre arbejde. Energi og arbejde er tæt forbundne begreber, men ikke identiske. Ifølge den anden hovedsætning, sådan som den først blev formuleret af Clausius i 1850’erne, vil entropien i et lukket system vokse spontant mod en maksimal værdi, der svarer til en fuldstændig ligevægt. I modsætning til energien er entropien altså ikke en bevaret størrelse.

Men tilbage til første hovedsætning. For at begrunde energisætningen eksperimentelt måtte forskerne vise, at en energiform kunne omdannes til en anden, uden at energien gik tabt. Joule eksperimenterede oprindeligt med den varme, der dannes i en strømførende ledning, og blev herfra ført til målinger af varmedannelsen fra mekaniske processer og fra gassers udvidelse. Han målte bl.a. den mekaniske energi, der skal til at dreje et hjul med vinger rundt i vand (som i en gammeldags hjuldamper). Når hjulet drejes hurtigt rundt, vil der opstå gnidningsvarme og vandets temperatur vil stige. Ved at måle den opståede varme og sammenligne den med den brugte mekaniske energi kunne han finde omsætningsforholdet mellem varmeenheden ”calorie”, og hvad vi i dag kalder ”joule”. Hans bedste værdi for denne størrelse, der af historiske grunde kendes som ”varmeenhedens mekaniske ækvivalent”, var 4,16 J/cal. Det er forbavsende tæt på den nuværende værdi, der er 4,19 J/cal.

Også den danske ingeniør og fysiker Ludvig August Colding (1815-1888), der var elev af H.C. Ørsted, bidrog med tidlige målinger af størrelsen. Han var blandt de første til at foreslå en lov om det, han kaldte energiens uforgængelighed. Dette gjorde han i 1840’erne ud fra forsøg med gnidningsvarme mellem metaller.

På basis af en lang række eksperimenter, herunder Coldings, stod det i midten af 1800-tallet klart, at energi eller ”kraft” – de to ord blev forvirrende nok brugt synonymt – hverken kan skabes eller forsvinde. I denne henseende havde størrelsen samme egenskab som massen af stof. Siden Lavoisiers eksperimenter i 1770’erne havde det været alment accepteret, at i alle processer, hvor et stof omdannes til et andet, vil den samlede masse være uforandret. Man havde altså nu to bevarelsessætninger for henholdsvis masse og energi, og de blev snart opfattet som absolut gyldige og uden undtagelser.

Energi blev hurtigt til et centralt begreb i næsten alle naturvidenskaber, og det var ikke kun naturforskerne, der tog energiens evangelium til sig.

I begyndelsen blev energiens bevarelse associeret med åndelige og kristne værdier. Verden er jo fuld af energi, og energi kan ikke skabes gennem naturlige processer. Hvor kommer den så fra? Det kan vel kun være fra en hinsidig skabende kraft, der på overnaturlig vis har leveret energien til at trække det kosmiske urværk op og derved puste liv i universet. Både Mayer og Joule var faktisk overbeviste om, at det nye energibegreb passede med det kristne budskab som fod i hose. I Danmark var Colding af samme opfattelse. Med energisætningen havde naturvidenskaben tilsyneladende leveret et slagkraftigt argument mod de materialistiske anskuelser, der voksede frem i tiden. Ifølge Colding var den ikke blot stærk evidens for sjælens udødelighed, den havde ligefrem bevist, ”at Gud har skabt verden af hvad der for os opløser sig i et Intet”, som han skrev i en afhandling fra 1856.

Ved et af historiens mange ironiske krumspring blev energien senere i århundredet omfavnet af materialistiske, socialistiske og ateistiske synspunkter. Ifølge tænkere inden for den materialistiske og kulturradikale tradition bestod verden af to uforgængelige størrelser, stof og energi. Da den samlede mængde energi i verden er konstant og altså altid har eksisteret, må verden være evig. Der kan ikke være nogen begyndelse på eller skabelse af verden, og ej heller en afslutning på den, for det ville stride imod loven om energiens bevarelse. Og hvis verden altid har eksisteret, mister begrebet om den skabende Gud da ikke sin legitimitet?

I sidste del af 1800-tallet var det ikke kun den darwinske udviklingslære, der blev mobiliseret i den omfattende kulturkamp mod Kirken og dens værdier, det var i høj grad også fysikkens energisætning. Den tyske samfundsfilosof Friedrich Engels (1820-1895), der sammen med Karl Marx (1818-1883) udformede den kommunistiske verdensanskuelse, var blandt dem, der anså loven om energiens bevarelse for et videnskabeligt bevis for materialismen.

Men er energien nu også bevaret? Hvorfra ved vi, at det er tilfældet for alle processer, til enhver tid og på ethvert sted i universet? Svaret er ikke blot, at vi ikke kan vide det, men at den klassiske lov om energibevarelse faktisk ikke har absolut gyldighed. Da radioaktiviteten blev opdaget i slutningen af 1890’erne, blev naturforskerne konfronteret med et fænomen, hvor energi tilsyneladende opstod spontant og uden at være forårsaget af andre energiformer. Radioaktivitet og andre processer, der har deres oprindelse i atomkernen, stemmer ikke overens med den klassiske lov om energibevarelse, men alligevel er fysikere i dag lige så overbeviste om lovens gyldighed, som de var det i sidste halvdel af 1800-tallet.

Grunden er, at energi i dag ikke er helt det samme som energi anno 1850 eller anno 1900. Med sin relativitetsteori belærte Albert Einstein (1879-1955) fysikerne om, at energi (E) og masse (m) er ækvivalente størrelser: De kan omformes til hinanden i overensstemmelse med forskriften E = mc2, hvor c er et symbol for lysets hastighed, ca. 300.000 km/sek. I stedet for at have to absolutte bevarelseslove, den ene for masse og den anden for energi, har vi ifølge den einsteinske fysik en enkelt bevarelseslov for masse-energi. Når fysikere i dag taler om energi og energibevarelse, er det den generaliserede form for energi, de har i tankerne. I processer mellem elementarpartikler opstår og forsvinder energi hele tiden, men alligevel er energien absolut bevaret. Det er faktisk en af de meget få fundamentale fysiske størrelser, der har denne egenskab.

Der har været adskillige forsøg på at vise lovens begrænsning, fx at den ikke har absolut men kun statistisk gyldighed, sådan som Niels Bohr (1885-1962) faktisk mente omkring 1930. Men Bohr tog fejl, og heller ingen af de andre forsøg har båret frugt. Det skyldes ikke, at energibegrebet er konstrueret på en sådan måde, at loven er sand per definition, for eksperimenter kunne vise, at det ikke er tilfældet. De har blot ikke gjort det og vil måske aldrig gøre det. Energibevarelse synes at være et fundamentalt træk i naturens arkitektur.

Moderne fysik er stadig fast forankret i loven om energiens bevarelse, blot er denne energi ikke identisk med det oprindelige begreb, der blev indført i midten af 1800-tallet. Loven om energibevarelse synes at være absolut gyldig og virkelig fundamental, ja man kunne måske endda fristes til at kalde den guddommelig. Og dog, for med opdagelsen af den ”mørke energi” i slutningen af 1990’erne fandt astronomer og fysikere en form for kosmisk energi, der ikke er bevaret, men derimod vokser med rummets udvidelse. Der gælder ganske vist en bevarelsessætning for den mørke energi, men i dette tilfælde er det energitætheden, altså energi per rumfang, der er bevaret.