Одной из самых понятных энергий является потенциальная энергия. Ее вычисляют и преобразовывают школьники, студенты и все остальные вплоть до академиков.

Стандартные определения потенциальной энергии примерно такие:           

-“Потенциальная энергия, часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения частиц, составляющих эту систему, и от их положений во внешнем силовом поле”. (БСЭ).   

 “Потенциальная энергия  — скалярная физическая величина, характеризующая способность некого тела (или материальной точки) совершать работу за счет его нахождения в поле действия сил. Другое определение: потенциальная энергия — это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов системы. Термин «потенциальная энергия» был введен в XIX веке шотландским инженером и физиком Уильямом Ренкином”. (“Наука”, Интернет).

Это, конечно, не совсем точные определения. Например, железный шар падает на наковальню и останавливается. Откуда взялась механическая энергия? Из потенциальной. А откуда взялась тепловая энергия для нагрева шара и наковальни? Из потенциальной. Получается, что механическая энергия является частью потенциальной энергии, а не наоборот. Да и большая неоднозначность в расположении частиц говорит о не строгости определения. Можно частицы двигать, как угодно по эквипотенциальной поверхности, ни чего не изменяя в их потенциальных возможностях            

О лагранжиане автор говорить не будет, так как не имеет о нем никакого понятия, да и не верит, что лагранжиан имеет хоть какое-нибудь отношение к сущности потенциальной энергии.        

Не вызывает сомнения положение о том, что тело может выполнять работу, находясь в поле действия сил. Действительно, вода, падающая на лопасти турбины, выполняет работу, и эту способность ей обеспечивает потенциальная энергия.     

Ричард Фейнман прямо начинает с расчетов событий с участием потенциальной энергии. У него так и главы называются: “Глава 13. Работа и потенциальная энергия (I)”, “Работа, выполняемая тяжестью” и т.д. Правда есть статья “Потенциальная энергия тяготения” (глава 4) в которой даются такие определения потенциальной энергии:              

“…потенциальной энергией тяготения, т. е. энергией, которой обладает тело вследствие своего положения в пространстве по отношению к земле”.     

“Потенциальная энергия — это общее название для энергии, связанной с расположением по отношению к чему-либо. В данном частном случае это — потенциальная энергия тяготения”.         

По существу эти определения аналогичны определению БСЭ.            

Много идет разговоров о шкале ее отсчета. Считать ее с бесконечности или с какого-то места, с какой величины. От нуля до какого-то минуса или от какой-то величины положительной до нуля и т.п.

Но разговоров о том, чтобы искать какую-нибудь физическую величину, которую можно бы изменять, чтобы изменялась потенциальная энергия, вообще не ведется. Измеряем эту энергию, преобразовываем ее в кинетическую энергию, электромагнитную энергию, энергию упругости и т.д. Как будь то, пересыпаем что-то из мешка в мешок, коробки, ящики и т.п. А что пересыпаем неизвестно - зерно, песок, алмазы или что-то другое.

Рассмотрим потенциальную энергию падающей воды, которая вращает электрогенератор на гидроэлектростанции.   

Генератор вращает турбина, но не сама по себе, а при помощи падающей воды. Падающую воду можно представить в виде шариков, которые попадая на плоскость, двигают ее в требуемом направлении, чем и вращают генератор. А как двигают? Молекулы воды имеют на своей внешней поверхности электрический отрицательный потенциал и на лопасти турбины тоже такой сплошной потенциал. Сталкиваясь друг с другом, они делятся между собой кинетической энергией. Электрон лопасти турбины, получивший импульс движения от электрона воды, пытается двигаться, но поскольку он связан с атомом, а атом связан с другими атомами вала турбины вплоть до вала генератора, то он начинает двигать вал и связанный с валом ротор генератора. В результате этого действия генератор вырабатывает электроэнергию, которая выполняет требуемую работу. Откуда все это появилось? Что собственно произошло?  Турбина и генератор остались те же, за исключением износа. Если взять молекулу воды из водохранилища и молекулу воды после прохода турбины, то обнаружим, что химически они абсолютно одинаковы. Количество воды на входе и на выходе гидростанции одинаковое. Как же произошло такое преобразование? Как случается так, что бочка падающей воды где-то далеко на какой-то речке поднимает столько же воды в бочку на дачном участке подмосковного пенсионера? Конечно, легче всего сказать, что вода в водохранилище обладает потенциальной энергией, при падении воды потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию воды, а уж эта кинетическая энергия передается лопастям турбины, вращающей генератор, который вырабатывает ток и далее по цепочке. Все это верно, но это описание “черного ящика”, а не его содержимого.

В каком виде хранится потенциальная энергия в воде? Как она изменяется? Этого правда никто не знает и даже с невероятными гипотезами по этому поводу не густо. Мы здесь вкратце изложим видение этого процесса. Сначала зададимся вопросом – а почему вода вообще падает? Многие не задумываясь, сразу ответят: “Гравитация…”, но это ответ сродни: “Стреляли…”  Более полно эта гипотеза изложена в статьях “Гравитация 1, 2, 3”. Гравитация это взаимодействие фотона и резонансного ему электрона. Пока молекула воды лежит на грунте, а вместе с ней и электрон, ничего особенного не происходит, даже если есть резонансные фотоны. Электрон может поглотить этот фотон, но при этом должна измениться скорость электрона. Грунт не дает молекуле, а с ней и электрону, двигаться. Электрон не может перейти в другой скоростной режим и поэтому не может удержать данный, хотя он и резонансный, фотон в своей структуре. Фотон будет излучен. Никаких квантовых изменений в электроне не произошло.

Но вдруг опору для молекулы убирают. Электрон поглощает фотон и получает импульс навстречу фотона. С полученной скоростью он и должен бы двигаться к лопасти турбины, но при изменении скоростной зоны в электроне появилась другая резонансная структура, что позволяет электрону поглощать следующий резонансный фотон. И этот процесс повторяется много раз по пути падения электрона, поэтому он все ускоряется и ускоряется. На лопасти турбины он отдает свою кинетическую энергию и тормозится. Но тормозится он не до такой скорости, какая была в водохранилище. Это различные скорости электрона относительно вакуума. Пока он не будет поднят обратно на уровень водохранилища (или вовлечен в какую-нибудь химическую связь), он никогда не сможет поглощать фотоны такой энергии, которые поглотил во время падения. Ровно на такое количество (суммарное количество кинетической энергии поглощенных фотонов) энергии уменьшилась потенциальная энергия воды.    

Таким образом, потенциальная энергия хранится в энергетических уровнях электронов. Чем больший спектр фотонов может поглотить электрон, тем большим запасом потенциальной энергии он обладает. Скажем так, чем ближе был электрон к ядру, тем больше он может поглотить фотонов. Поглощение фотонов электроном ведет к увеличению его массы. Увеличение массы ведет к увеличению кинетической энергии. Таким образом, чем с большей высоты падает вода, тем больше она совершает работы.   К сожалению, мы пока не можем измерить это изменение массы прямо, но можем его измерить косвенно, через изменение размеров атомов. То, что атомы, поглощающие фотоны, изменяют свои размеры, мы наблюдаем по расширению или сжатию тел при изменении температуры (см. урок 5 по теории относительности), окружающей эти тела. Возможно, что получится проверить изменения в воде до и после турбины. Для этого достаточно взять один и тот же объем воды в водохранилище и после турбины и пересчитать там и там количество молекул воды. Все зависит от возможности осуществить этот опыт. А сложность опыта заключается в том, что условный мерный ящик при переносе его из одного места в другое изменяет свой размер. Следует ящик делать по месту измерения, а меркой для строительства ящика может быть одиночный квант (полагаем, что квант своих параметров не изменяет) или фотон, если мы будем уверенны, что фотон содержит и там и там одинаковое количество квантов, то есть порций энергии. 

Вывод такой. Энергия в виде фотонов излучается из Земли (внутри ее много тепловых и других фотонов), превращается в электронах воды в кинетическую энергию, а последняя передается турбине. Прошедшая через турбину вода вновь готова излучать поглощенный спектр, что и делает при испарении.

И еще одно, приближаясь к Земле, электроны увеличивают свою массу, увеличивая размеры атомов (см. статью “Устройство атома”). Возрастает интенсивность движения атомов и молекул, мы это называем тепловым движением. По идее в центре Земли должны оказаться самые полные электроны и атомы. И там они должны максимально толкаться, а толкаясь, они ускоряют друг друга, заставляя излучать фотоны. Эти фотоны распространяются как в самой Земле, так и во всем пространстве. Такой фотонный круговорот поддерживает соответствующую температурную мозаику в Земле. Ядро Земли не разогревается и не остывает быстрыми темпами.