Un evento del bosón de Higgs visto en el detector Compact Muon Solenoid del Gran Colisionador de Hadrones. Esta… una colisión de alta energía ilustra el poder de la conversión de la energía, que siempre existe en forma de partículas.
CERN / CMS Collaboration
La energía desempeña un enorme papel, no sólo en nuestra vida cotidiana rica en tecnología, sino también en la física fundamental. La energía química almacenada en la gasolina se convierte en energía cinética que impulsa nuestros vehículos, mientras que la energía eléctrica de nuestras centrales eléctricas se convierte en luz, calor y otras formas de energía en nuestros hogares. Pero esta energía parece existir siempre como una mera propiedad de un sistema que existe de forma independiente. ¿Debe ser siempre así? Alex, de Moscú, escribe con una pregunta sobre la energía misma:
«¿La energía pura , tal vez muy poco antes de convertirse en una partícula o un fotón? ¿O es sólo una abstracción matemática útil, un equivalente que utilizamos en física?»
A nivel fundamental, la energía puede adoptar muchas formas.
Las partículas conocidas en el Modelo Estándar. Estas son todas las partículas fundamentales que han sido… descubiertas directamente; con la excepción de unos pocos bosones, todas las partículas tienen masa.
E. Siegel
La forma de energía más simple y familiar de todas es en términos de masa. Normalmente no se piensa en términos de E = mc2 de Einstein, pero cada objeto físico que ha existido en este Universo está hecho de partículas masivas, y simplemente por tener masa, estas partículas tienen energía. Si estas partículas se mueven, también tienen una forma adicional de energía: la energía cinética, o la energía del movimiento.
Las transiciones de electrones en el átomo de hidrógeno, junto con las longitudes de onda de los fotones resultantes,… muestran el efecto de la energía de enlace.
Usuarios de Wikimedia Commons Szdori y OrangeDog
Por último, estas partículas pueden enlazarse de diversas maneras, formando estructuras más complejas como núcleos, átomos, moléculas, células, organismos, planetas y más. Esta forma de energía se conoce como energía de enlace, y en realidad tiene un efecto negativo. Reduce la masa en reposo de todo el sistema, razón por la cual la fusión nuclear, que tiene lugar en los núcleos de las estrellas, puede emitir tanta luz y calor: convirtiendo la masa en energía a través de ese mismo E = mc2. A lo largo de los 4.500 millones de años de historia del Sol, ha perdido aproximadamente la masa de Saturno por la simple fusión de hidrógeno en helio.
El Sol, mostrado aquí, genera su energía mediante la fusión de hidrógeno en helio en su núcleo, perdiendo pequeñas… cantidades de masa en el proceso. A lo largo de su vida, ha perdido aproximadamente la masa de Saturno por este proceso.
NASA / Observatorio de Dinámica Solar (SDO)
El propio Sol da otro ejemplo de energía: la luz y el calor, que viene en forma de fotones, que son diferentes de las formas de energía que hemos considerado hasta ahora. También existen partículas sin masa – partículas sin energía en reposo – y estas partículas, como los fotones, los gluones y (hipotéticamente) los gravitones, se mueven a la velocidad de la luz. Sin embargo, llevan energía en forma de energía cinética y, en el caso de los gluones, son responsables de la energía de enlace dentro de los núcleos atómicos y de los propios protones.
La teoría de la libertad asintótica, que describe la fuerza de las interacciones de los quarks dentro de un… núcleo, valió un Premio Nobel para Wilczek, Politzer y Gross.
Usuario de Wikimedia Commons Qashqaiilove
La cuestión fundamental que se plantea aquí es si la energía misma puede existir independientemente de cualquiera de estas partículas. Había una posibilidad tentadora de que esto pudiera ser así en forma de gravitación: durante muchas décadas, habíamos estado observando las órbitas de las estrellas binarias de neutrones: dos restos estelares colapsados que orbitan entre sí. Gracias a las mediciones de la sincronización de los púlsares, en las que una de las estrellas envía pulsos muy regulares hacia nosotros, pudimos detectar que estas órbitas estaban decayendo, y que se movían en espiral la una hacia la otra. A medida que su energía de enlace aumentaba, debía haber alguna forma de energía irradiada. Pudimos detectar los efectos de la desintegración, pero no la energía radiada en sí.
Cuando dos estrellas de neutrones orbitan entre sí, la teoría de la relatividad general de Einstein predice la desintegración orbital y la emisión de radiación gravitacional.
NASA (L), Instituto Max Planck de Radioastronomía / Michael Kramer
La única manera de explicarlo sería si hubiera algún tipo de radiación gravitacional: necesitaríamos que las ondas gravitacionales fueran reales. La primera fusión de agujeros negros detectada por LIGO, del evento del 14 de septiembre de 2015, pondría esto a prueba. En esa fecha, se detectaron dos agujeros negros que se unían en espiral y las ondas gravitacionales directas emitidas por esa coalescencia. Los agujeros negros originales eran de 36 y 29 masas solares; la masa final, posterior a la fusión, fue de 62 masas solares.
Las estadísticas vitales de la fusión de agujeros negros del 14 de septiembre de 2015. Nótese cómo hay tres masas solares… que se pierden de la fusión, pero esa energía sobrevive en forma de radiación gravitacional.
B. P. Abbott et al. (Colaboración Científica LIGO y Colaboración Virgo)
¿Esas tres masas solares que faltan? Fueron emitidas en forma de ondas gravitacionales, y la magnitud de las ondas que detectamos fue exactamente la cantidad necesaria para compensar la cantidad necesaria para conservarlas, después de todo. El E = mc2 de Einstein, y la energía que se transporta como parte de algún tipo de partícula o fenómeno físico, se confirmó de nuevo.
La inspiral y la fusión de la primera pareja de agujeros negros jamás observada directamente.
B. P. Abbott et al. (Colaboración Científica LIGO y Colaboración Virgo)
La energía viene en una variedad de formas, y algunas de esas formas son fundamentales. La energía de la masa de reposo de una partícula no cambia con el tiempo, y de hecho no cambia de partícula a partícula. Es un tipo de energía que es inherente a todo en el propio Universo. Pero todas las demás formas de energía que existen son relativas. Un átomo en estado excitado tiene más energía que un átomo en estado básico, y eso se debe a la diferencia de energía de enlace. ¿Y si quieres hacer esa transición al estado de menor energía? Tienes que emitir un fotón para llegar allí; no puedes hacer esa transición sin conservar energía, y esa energía tiene que ser transportada por una partícula -incluso una sin masa- para que eso ocurra.
En esta ilustración, un fotón (púrpura) lleva un millón de veces la energía de otro (amarillo)…. Los datos de Fermi sobre dos fotones de un estallido de rayos gamma no muestran ningún retraso en el viaje, lo que demuestra la constancia de la velocidad de la luz a través de la energía.
NASA/Universidad Estatal de Sonoma/Aurore Simonnet
Tal vez una rareza de esto es que la energía del fotón, o cualquier forma de energía cinética (es decir, la energía del movimiento), es que su valor no es fundamental, sino que depende del movimiento del observador. Si te acercas a un fotón, verás que su energía parece mayor (ya que su longitud de onda se desplaza hacia el azul), y si te alejas de él, su energía será menor y aparecerá desplazada hacia el rojo. La energía es relativa, pero lo interesante es que para cualquier observador, siempre se conserva. No importan las interacciones, nunca se ve que la energía exista por sí sola, sino como parte de un sistema de partículas, ya sean masivas o sin masa.
La energía se puede convertir de una forma en otra, incluso de energía de masa en reposo en puramente cinética… energía, pero siempre existe en forma de partículas.
Andrew Deniszczyc, 2017
Hay una forma de energía, sin embargo, que puede no necesitar una partícula en absoluto: la energía oscura. ¡La forma de energía que hace que la expansión del Universo se acelere puede muy bien ser energía inherente al propio tejido del Universo! Esta interpretación de la energía oscura es coherente y coincide exactamente con las observaciones de las galaxias lejanas que se alejan y los cuásares que vemos. ¿El único problema? Esta forma de energía, por lo que sabemos, no puede utilizarse para crear o destruir partículas, ni puede interconvertirse en y desde otras formas de energía. Parece ser una entidad propia, desconectada de la interacción con las otras formas de energía presentes en el Universo.
Sin la energía oscura, el Universo no estaría acelerando. Pero no hay forma de acceder a esa energía… a través de ninguna otra partícula del Universo.
NASA & ESA, de posibles modelos del Universo en expansión
Así que la respuesta completa a la pregunta de si existe la energía pura es:
- Para todas las partículas que existen, masivas y sin masa, la energía es sólo una propiedad de ellas, y no puede existir de forma independiente.
- Para todas las situaciones en las que la energía parece perderse en un sistema, como por ejemplo a través del decaimiento gravitacional, existe alguna forma de radiación que se lleva esa energía, dejándola conservada.
- Y esa energía oscura en sí misma puede ser la forma más pura de energía, existiendo independientemente de las partículas, pero en cuanto a cualquier efecto que no sea la expansión del Universo, esa energía es inaccesible para todo lo demás en el Universo.
Por lo que sabemos, la energía no es algo que podamos aislar en un laboratorio, sino sólo una de las muchas propiedades que poseen la materia, la antimateria y la radiación. ¿Crear energía independientemente de las partículas? Podría ser algo que hace el propio Universo, pero hasta que no aprendamos a crear (o destruir) el propio espaciotiempo, nos vemos incapaces de hacerlo.
¡Envía tus preguntas a Ethan a startswithabang at gmail dot com!