Rozpatrzmy to, co nauka mówi o masie i energii. Frank Wilczek, laureat Nagrody Nobla z fizyki, pisze: „Materia nie jest tym, czym się wydaje. Jej najbardziej oczywistą własność – nazwaną różnie: oporem wobec ruchu, bezwładnością lub masą – można rozumieć lepiej, posługując się zupełnie innymi pojęciami. Masa zwykłej materii jest przejawem energii bardziej podstawowych składników, które same masy nie posiadają”.

O energii Richard P. Feynman, inny laureat Nagrody Nobla z fizyki, pisze: „Istnieje prawo, które rządzi wszystkimi dotychczas znanymi zjawiskami przyrodniczymi. Nie znamy wyjątków od tego prawa. Prawo to nazywamy zasadą zachowania energii. Mówi ono, że istnieje pewna wielkość zwana energią nieulegająca zmianie podczas różnych przemian, które zachodzą w przyrodzie”.

Jak wynika z cytowanych tu fragmentów ta „pewna wielkość zwana energią” nie jest zdefiniowana. Istnieje jednak pewne określenie, że energia to zdolność do wykonania pracy. Określenie to nic nie mówi o istocie energii. Można więc zaryzykować tezę, że energia jest czymś tajemniczym. W żadnym języku nowożytnym nie ma słowa, które mogłoby zastąpić słowo „energia”. Nawet w Dictionary of Energy hasło „energia” nie ma synonimu.

Wrażenia tajemniczości energii nie osłabia fakt, że istnieje ona wszędzie w naszym ziemskim otoczeniu i stanowi o istnieniu naszym i całego Wszechświata. Brak odpowiedzi na pytanie, czym jest energia, oraz to, że za pomocą naszych zmysłów i dostępnych możliwości badawczych nie można poznać jej istoty, tylko skutki jej działania, potęgują ciekawość, co to za forma bytu.

Z energią mamy do czynienia w każdym fragmencie naszego życia. Obcowanie z energią, która ukazuje się nam w różnych postaciach, jest odczuwalne przez skutki jej działania. Można zaryzykować twierdzenie, że skutkiem działania energii jest wszystko to, co się dzieje w naszym życiu. Nie ma zjawiska, nie ma procesu, nie ma form życia bez różnych przemian energetycznych. Człowiek jako żywy organizm jest przykładem istnienia energii i przemian jej postaci, jakie w nim następują.

System energetyczny

Energia występuje pod różnymi postaciami, które mogą być identyfikowane na podstawie skutków działania, czasem bezpośrednio odczuwalnych przez człowieka. Postacie energii ulegają przemianom, które mogą następować w warunkach naturalnych lub specjalnie tworzonych przez człowieka. Zmiany te następują w określonym otoczeniu. Można uznać, że to otoczenie tworzy pewien system energetyczny.

Przykładów systemów, w których następują zmiany postaci energii jest nieskończenie wiele, każdy organizm żywy może być takim przykładem, a dla spełnienia różnych zadań i wymagań, które określa życie, człowiek tworzy własne systemy. W wyniku ich działania otrzymuje zamierzony i oczekiwany efekt.

W każdym naturalnym systemie energetycznym, który stanowi np. żywy organizm, czy w systemie doraźnie stworzonym przez człowieka w celu uzyskania doraźnych celów, następują trzy procesy energetyczne. Są to: przemiana postaci energii zwana konwersją energii, przenoszenie energii zwane transmisją oraz zamiana energii na pracę lub odwrotnie – zamiana pracy na energię zgodnie z „zasadą energii”. Zasad ta mówi, że energia kinetyczna ciała rośnie lub maleje podczas ruchu o wartość pracy sił działających (zależnie od tego, czy praca jest dodatnia, czy ujemna).

W każdym przypadku procesów energetycznych obowiązuje zasada zachowania energii, podstawowe prawo przyrody, o którym mówiono na wstępie. Wszelkie systemy energetyczne muszą być rozpatrywane pod kątem zachowania tego prawa. Wynika z niego to, że powinna być zachowana równość energii wprowadzonej do systemu Ewej z energią wyjściową Ewyj oraz częścią energii Estr , która jest tracona w procesie.

Można zatem system energetyczny opisać w następujący sposób:

Ewej = Ewyj + Estr

Każdemu procesowi energetycznemu towarzyszą straty energii, a ich wartość zależy od sprawności funkcjonowania systemu i wyraża się wartością sprawności energetycznej η równą stosunkowi Ewyj do Ewej . Ponieważ Ewyj < Ewej przeto η<1 .

Wykorzystując zasadę zachowania energii można opisać np. system energetyczny utworzony przez człowieka, który realizuje się w każdym powszechnie dostępnym pojeździe jeżdżącym po ziemi. Energię wejściową w tym systemie stanowi energia chemiczna, może to być również energia elektryczna czy fotonowa, jak na to wskazują już podjęte badania. W silniku pojazdu następuje konwersja energii. Bez względu na postać energii dostarczonej do silnika efektem ostatecznym działania jest przemiana postaci energii w energię mechaniczną – kinetyczną. W tej postaci energia kinetyczna jest transmitowana przez układ napędowy do kół pojazdu. Formy tego przepływu energii mogą być różne i zależą od rozwiązania układów napędowych. Ostatnim ogniwem układu napędowego są napędzane koła. W styku kół napędzanych z podłożem następuje transformacja polegająca na zmianie energii kinetycznej na pracę i odwrotnie, pracy na energię kinetyczną pojazdu. Pracę wykonują siły działające w styku koła pojazdu z nawierzchnią drogi. Efektem działania systemu energetycznego pojazdu jest zamiana energii dostarczonej do systemu w energię kinetyczną pojazdu, co wyraża się jazdą pojazdu z prędkością v.

System energetyczny opisany powyżej realizuje się w każdym pojeździe, w każdej mobilnej maszynie, w każdej maszynie roboczej stacjonarnej, w każdym urządzeniu, w każdym wykreowanym przez człowieka szczególe. Różnice w utworzonych przez człowieka systemach energetycznych mogą dotyczyć tylko oceny poszczególnych energii wejściowych i wyjściowych oraz oceny strat energetycznych.

Postacie energii

Ogólnemu schematowi systemu energetycznego podlega organizm człowieka. Analiza procesów energetycznych zachodzących w systemie organizmu ludzkiego jest trudna i stanowi przedmiot stałych badań. Można jednakże pokusić się o przedstawienie ogólnej koncepcji istnienia człowieka jako funkcjonowanie pewnego systemu energetycznego.

W systemie energetycznym, który realizuje się w organizmie człowieka, mamy do czynienia z różnymi postaciami energii i ciągłą ich konwersją. Ogólnie system ten można przedstawić następująco. Energię wejściową, wprowadzaną do systemu, stanowi masa żywieniowa E’wej oraz energia fotonowa E”wej ciągle emitowana przez Słońce. W organizmie człowieka obydwie postacie energii zostają wykorzystane na zachowanie poziomu energetycznego homo sapiens, co oznacza zachowanie życia, oraz energię, którą wykorzystuje człowiek w swojej życiowej działalności. Energię zachowującą i utrzymującą poziom energetyczny nazwiemy energią istnienia, oznaczając ją Eist . Energia, którą wykorzystuje człowiek w działalności życiowej, polegającej na spełnianiu funkcji życiowych, oznaczymy E’wyj . Energię wykorzystywaną do realizacji wszelkich prac fizycznych i umysłowych oznaczymy E”wyj . Obydwie energie, E’wyj i E”wyj , stanowią energię wyjściową w sensie istnienia systemu energetycznego człowieka.

W grupie energii traconych, niewykorzystywanych przez system energetyczny do wzbogacenia energii istnienia czy energii wyjściowych, wyodrębnia się energię zawartą w niestrawionej masie E’str oraz energię promieniowania E”str , która jest stale emitowana przez ludzkie ciało. Różne mogą być postacie tej energii, a dzisiaj można także suponować o takich formach promieniowania, którego istnienie nie zostało jeszcze doświadczalnie potwierdzone.

Przedstawione powyżej przykłady działań z wykorzystaniem energii oraz skutków tych działań w ziemskim bycie upoważniają do sformułowania tezy, że energia jako „coś”, jako zdolność do realizowania pracy w pojęciu fizycznym, materialnym jest powszechnie otaczającym nas zjawiskiem, w którym zanurzona jest wszelka materia żywa i martwa. Bez istnienia energii bytowanie istot żywych byłoby niemożliwe.

Opór masy

Obrazy rzeczywistości, które wszyscy dostrzegają, które malowane są prawami fizyki klasycznej, wskazują, że masa jest miarą ilości materii zawartej w pewnym ciele lub układzie fizycznym. Ten klasyczny obraz masy mówi również o tym, że masa jest oporem, który przeciwstawia się ruchowi i jest czymś niezmiennym dla danego kawałka materii. Obraz ten traci na jasności, gdy zostają uwzględnione zasady wynikające z teorii względności.

Słynny wzór Einsteina E = mc2 oznacza, że masa i energia są równoznaczne i mogą przechodzić jedna w drugą. Z powyższej zasady równoważności masy i energii wynika, że masa i energia są miarą tego samego bytu, tej samej wielkości fizycznej.

Oto potwierdzenie tej tezy: obiekt fizyczny pozbawiony masy spoczynkowej, np. foton mający energię E, ma również masę m równą

Obiekt o masie spoczynkowej m0 będący w spoczynku ma energię spoczynkową E0 = m0c2 przy niezbyt dużych prędkościach v, gdzie v << c . Prawdziwość teorii względności nie jest podważalna, potwierdzają ją liczne badania doświadczalne. Jednak niektóre rozważania prowadzone na modelach zbudowanych na podstawie tej teorii wydają się niewyobrażalne w swoich końcowych wnioskach, np. z fotonu o masie spoczynkowej równej zero i energii E można otrzymać masę, tak jak na to wskazuje wzór

Teoria względności nie wnika w istotę tego, co to jest masa jako wyznacznik czy miernik materii, jedynie wyjaśnia jej zachowanie w pewnych warunkach ziemskich, a szczególnie w warunkach pozaziemskich.

Mówiąc o masie należy wspomnieć o jej zachowaniu w polu grawitacyjnym. Zachowanie to ujawnia się przez działanie grawitacyjne między ciałem a polem grawitacyjnym. To wzajemne oddziaływanie ciał i pól grawitacyjnych zostało opisane w teorii grawitacji. Nie wnosi jednak nowych elementów do wyjaśnienia tego, czym jest masa ciała i co stanowi o jej cechach i własnościach.

Zastanowienie nad problemem dotyczącym istoty energii prowokuje do wniosku, że energia jest wielce tajemniczą wielkością, której istnienie wskazują skutki jej działania. Podobny wniosek można sformułować w stosunku do tego, czym jest masa. Wątpliwości te w pewnym stopniu mogą rozwiać badania prowadzone dzięki założeniom fizyki kwantowej. Wtedy teza Wilczka, że „masa zwykłej materii jest przejawem energii bardziej podstawowych składników, które same masy nie posiadają” będzie wyznacznikiem rzeczywistości.

Tajemnice wszechświata

W strukturze wszechświata, jak określają najnowsze pomiary, tylko 5 proc. stanowią normalna materia i energia, zaś 23 proc. to zupełnie nowy rodzaj materii, o której wiemy tylko tyle, że jest niewidoczna, ale pod wpływem grawitacji zachowuje się jak normalna materia. Tę niewidoczną materię nazwano ciemną materią. Pozostałe 72 proc. nie jest materią żadnego rodzaju.

Odkryto, że wszechświat rozszerza się i nabiera prędkości. Coś musi powodować ten przyspieszony ruch, coś bardzo różniącego się od materii ciemnej czy jakiejkolwiek innej. To „coś” zostało nazwane ciemną energią. Ciemna energia jest obecnie wielką zagadką.

Do tajemnic, które skrywają masa i energia – w naszym ziemskim otoczeniu, z którym mamy do czynienia w życiu – dochodzą tajemnice ciemnej materii i ciemnej energii. Tajemnice materii i masy odnoszą się więc nie tylko do naszego ziemskiego bytu.

Wędrówka, choćby tylko myślowa, w przestrzenie kosmosu potęguje tajemniczość bytów, ciemnych materii i energii, a wyobraźnia odmawia kreowania obrazów, które rozjaśniałyby horyzont myślowy. Nasuwa się pytanie, czy istotnie w tym naszym bycie jest zawarta Wielka Tajemnica, która już od chwili Wielkiego Wybuchu strzeże wszystkiego, gdyż tylko ona może wiedzieć wszystko.

Na zakończenie pragnę wyjaśnić, dlaczego postanowiłem napisać o tym, co nurtuje mnie już od szeregu lat. Po pierwsze: sprawy związane z istotą podstawowych naszych bytów są do dzisiaj niewyjaśnione, stanowią tajemnice. Ta tajemniczość wzbudza pytania, na które nie ma odpowiedzi, a wyobraźnia nie pozwala na tworzenie przemawiających prawdą rozwiązań. Myślę, że podobne wrażenia odnoszą wszyscy, także ci, którzy tworzą modele tych bytów.

Po drugie: przedstawienie własnych wątpliwości i wahań w przystępnej formie, przyjmując nawet daleko idące uproszczenia, spowoduje u czytającego, niezwiązanego na co dzień z problematyką kosmologii czy fizyki kwantowej, zainteresowanie tematem i pobudzi do głębszych refleksji odnośnie do ziemskiego bytu.

Mam nadzieję, że te wyjaśnienia uwolnią mnie od tych, którzy chcieliby tematy poruszane w tym opracowaniu zostawić tylko tym, którzy starają się przez badania własne rozwiać tajemnice bytu.