15 de septiembre de 2009

Equivalencia entre Energía y Materia

La conversión de la energía de las estrellas

Energía

En el sentido físico energía es la capacidad de trabajo acumulado en un sistema, representa una reserva que a demanda puede realizar un trabajo. Por esto se mide la energía en las mismas unidades como el trabajo, a ser en Joule:

1 [J] = 1 [Nm] (Newtonmeter) = 1 [Ws] (Wattsegundo) = 1 [m2Kg s-2].

La energía puede aparecer de diferentes formas y ser perceptible (a veces) por nosotros: Calor, luz, electricidad, rayos gamma, etc. Un cuerpo en movimiento acomula la energía que le fue proporcionada, como energía cinética. Esta, en una repentina y violente colisión con un objeto masivo, puede ser liberada repentinamente, ejemplo, en un impacto de un meteorito o en un choque de dos vehículos.

Sin embargo cada objeto contiene una energía potencial (energía posicional). Energía nuclear, ondas gravitacionales y energía de rotación son otras manifestaciones. Todas estas energías no tienen restricción alguna y son totalmente convertibles entre si.
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Masa

La masa de un cuerpo se puede dividir en masa gravitatoria y masa inerte. La masa gravitatoria es aquella que está en reposo, la masa inerte es la que está en movimiento. Sin embargo, como lo veremos más adelante, ya no diferenciamos entre inerte y gravitatoria. Si no sólo hablamos de una masa en reposo de un cuerpo. Esto es fácil, si de entender si tenemos en cuenta, e que se compone la masa. Todos saben que se compone de moléculas o átomos, que a su vez se compone de de protones, neutrones, y electrones. Tomemos como ejemplo una manzana. La podemos colocar sobre una pesa y determinar su masa (estrictamente hablando es sólo un peso), Si tuviéramos mucho tiempo podríamos contar de cuantos protones, neutrones y electrones está formado nuestra fruta. Conocemos la masa de reposo de cada uno de estas partículas y sólo tenernos que sumar la masa, para obtener la masa total de la manzana, ¿Si ahora enviamos a la manzana al espacio mediante un cohete, aumentará entonces la masa?¿De la masa en reposo se obtendrá una masa inerte mayor?

Seguro que no ¿Cómo iba a aumentar la cantidad de partículas de la manzana sólo con la aceleración? Podemos acelerar o desacelerar loa manzana como quisiésemos, la cantidad de átomos de la cual se compone la manzana no varía. Con esto también permanece igual sumaza. Por esto la masa de un cuerpo en reposo, es la única que tiene relevancia.

Existe sólo una variante, por la cual la manzana podría aumentar su masa, pero esta no está relacionada con la física: Sería cuando un gusano se metiera dentro de ella.
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La Unificación

Albert Einstein pensó que es posible realizar experimentos en un sistema en reposo y en un sistema en aceleración, y que en cada caso se debe llegar al mismo resultado. Como ejemplo pensó en un laboratorio en la Tierra y otro en una nave espacial. En ambos lugares se encuentra colgando del techo, una balanza de resorte súper exacta, en las cuales se ha colocado un cuerpo exactamente de la misma masa. Ahora bien, este cuerpo es bombardeado con un fotón, que es absorbido por éste. El cohete es acelerado con g en dirección suelo-techo, de manera que la balanza muestra una fuerza de mg (masa por aceleración).

Ahora es absorbido el fotón con la energía ΔE, de manera que la balanza de la nave espacial registra un aumento de la masa inerte por el valor de ΔE/c^2, la fuerza registrada es entonces (m + ΔE/c^2)g

Los físicos en el laboratorio terrenal en su balanza leen exactamente la misma fuerza (m + ΔE/c^2)g, solo que aquí, no aumentó la inercia, si no, del peso del cuerpo por el valor de ΔE/c^2.
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¿Que nos debe mostrar ahora, este experimento imaginario? Bien simple, como ya lo habíamos insinuado al comienzo, que la masa en reposo y la masa inercial y también la energía son uno y lo mismo. Arriba la energía es simbolizada como un fotón, con su absorción el cuerpo aumenta realmente su masa. Esto lleva finalmente a la expresión que energía y masa son lo mismo, lo que Einstein expresa en su mundialmente famosa fórmula E = mc^2.

Probablemente se puede vislumbrar que enorme cantidad de energía que puede tener un puñado de materia, si se multiplica la masa por el cuadrado de la velocidad de la luz (esto después de todo es aproximadamente 9 x 10^16 [m^2 • s^-2]. Como ejemplo puede servir la bomba de Hiroshima donde sólo se 1 [g] de materia se transformó en energía.
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Uno se puede imaginar a la materia como una especie energía “congelada”. Hoy con los podemos demostrar las leyes de Einstein aceleradores de partículas podemos, haciendo que partículas cargadas colisionen entre ellas, con lo cual se forman nuevas partículas. Por otro lado, se las puede nuevamente irradiar en energía. La vida en nuestro planeta sólo es posible, porque el Sol en su núcleo interior, durante la fusión del Hidrógeno, sólo irradia en energía una reducida cantidad de materia. Mucho mejor lo pueden hacer los hoyos negros, en sus discos de acreción, transformar materia en energía. La energía liberada puede alcanzar hasta el 40% de la masa en reposo.

Las teorías de Einstein, nos muestran otras cosas más. Nosotros (porque somos materia) nunca alcanzaremos la velocidad de la luz. Como visto en el ejemplo de arriba, cada energía suministrada a un cuerpo contribuye a un aparente aumento de la masa. El aporte de energía, para alcanzar esta velocidad, llegaría al infinito, y con esto también la masa (inerte) adquiriría un tamaño infinitamente grande, Dicho de otra manera: La energía cinética de la partícula o cuerpo aumenta al infinito. (La masa en reposo permanece invariable). Incluso una partícula tan liviana como un electrón, por esta razón, nunca podrá alcanzar la velocidad de la luz, ni hablar de un cohete. En todo el universo existe una fuente de energía, mediante la cual una partícula podría ser cargada a una energía cinética infinitamente alta.
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La conocida ley de la conservación, que en el universo no se pierde energía y tampoco se agrega, habría que verlo desde otro punto de vista. Por esto hoy se habla de la ley de la conservación de la energía, pues nuestro cosmos no se compones partículas nucleares indestructibles. Nosotros sabemos que al encontrarse un protón con un antiprotón, ambos se irradian en energía. También tenemos conocimiento del limitado tiempo de vida de los neutrones (Estos tienen una vida media de 16,8 minutos, cuando se presentan en estado libre) y también sospechamos que tampoco los protones pueden existir eternamente. Incluso el Hierro (Fe) tiene probablemente una vida media de 10^500 años. Pero en todo caso nada se pierde, incluso cuando la materia se haya convertido totalmente en energía.

En base a la equivalencia de materia y energía, el contenido de energía del universo permanece invariable. Incluso si sigue expandiéndose infinitamente, y toda la materia se desintegra y todo se haya enfriado al cero absoluto, el contenido total de la energía permanece invariable, aún cuando sólo consiste de fotones, los más pobres en energía.

Indiferentemente en que forma se ve a la energía, siempre origina algo, ella es una fuente de ondas gravitacionales. Hemos sabido que masa y energía en el fondo es lo mismo. Ya que de una masa emana una acción gravitatoria, esto también tiene validez para la energía. Esta quizás sorprendente visión, se nos hace más fácil, si tenemos en cuenta, que el primigenio ultra caliente cosmos, se componía de pura energía. La materia aún no podía existir. Ella recién de pudo formar cuando el universo se enfrió lo suficiente.

Última revisión 24 de Marzo de 2006

Traducido del alemán por aagb: Septiembre de 2009

Con la gentil autorización de Werner Kasper, Mittelweg 1, D- 35117 Münchhausen, Abenteuer

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