audiencia de espectadores, en 1934. Las consecuencias de aplicar la relatividad a los sistemas correctos requieren que, si exigimos conservación de energía, E = mc^2 debe ser válido. Imagen de dominio público
De todas las ecuaciones que utilizamos para describir el Universo, quizás la más famosa, E = mc2, es también la más profunda. Descubierto por primera vez por Einstein hace más de 100 años, nos enseña una serie de cosas importantes. Podemos transformar la masa en energía pura, por ejemplo, a través de la fisión nuclear, la fusión nuclear o la aniquilación de materia y antimateria. Podemos crear partículas (y antipartículas) de nada más que energía pura. Y, quizás lo más interesante, nos dice que cualquier objeto con masa, no importa cuánto se enfríe, frenar, o aislarlo de todo lo demás, siempre va a tener una cantidad de energía inherente a ella que nunca podemos deshacernos. Pero, ¿de dónde viene esa energía? Eso es lo que Rene Berger quiere saber, preguntando:
Mi pregunta es, en la ecuación E = mc2, ¿de dónde viene la energía en la» m»?
Vamos a bucear dentro de la materia en las escalas más pequeñas para averiguarlo.
con posiblemente más pequeños dentro de lo que se conoce. Con el advenimiento del LHC, ahora podemos restringir el tamaño mínimo de quarks y electrones a 10^-19 metros, pero no sabemos hasta dónde llegan realmente, y si son puntuales, de tamaño finito o en realidad partículas compuestas. Fermilab
Lo primero que tenemos que hacer es entender la ecuación E = mc2, y eso significa desglosar cada uno de los términos dentro de ella.
- E significa energía: en este caso, la cantidad total de energía contenida en la partícula (o conjunto de partículas) que estamos viendo.
- m significa masa: la masa total en reposo de la partícula(s) que estamos considerando, donde «masa en reposo» significa la masa de la partícula que no está en movimiento y que no está unida a ninguna otra partícula a través de ninguna de las fuerzas conocidas (gravitación, fuerzas nucleares o fuerza electromagnética).
- c2 es la velocidad de la luz al cuadrado: en este caso, solo un factor de conversión, que nos dice cómo convertir la masa (que medimos en kilogramos) en energía (que medimos en julios).
La razón por la que podemos obtener tanta energía de una reacción nuclear proviene directamente de esta ecuación, E = mc2.
Atolón de Enewetak. La prueba era parte de la Operación Ivy. Mike fue la primera bomba de hidrógeno que se probó. Una liberación de esta cantidad de energía corresponde a aproximadamente 500 gramos de materia que se convierten en energía pura: una explosión asombrosamente grande para una cantidad tan pequeña de masa. Las reacciones nucleares que involucran fisión o fusión (o ambas, como en el caso de Ivy Mike) pueden producir desechos radiactivos tremendamente peligrosos a largo plazo. Administración Nacional de Seguridad Nuclear / Oficina de Nevada
Incluso si convirtiéramos un solo kilogramo (1 kg) de masa en energía, el hecho de que c2 necesariamente significa que obtendríamos el equivalente a 21.5 megatones de TNT de energía de esa conversión. Esto explica por qué el Sol produce tanta energía; por qué los reactores nucleares son tan eficientes; por qué el sueño de la fusión nuclear controlada es el «santo grial» de la energía; y por qué las bombas nucleares son tan poderosas y tan peligrosas.
Pero también hay un lado más feliz de E = mc2. Significa que existe una forma de energía que no se puede quitar de una partícula sin importar lo que le hagas. Mientras permanezca en existencia, esta forma de energía siempre permanecerá con ella. Eso es fascinante por varias razones, pero quizás la más interesante es que todas las demás formas de energía realmente se pueden eliminar.
el Universo determina cuándo y bajo qué condiciones se pueden crear, y también describe cómo curvarán el espacio-tiempo en la Relatividad General. Las propiedades de las partículas, los campos y el espacio-tiempo son todas necesarias para describir el Universo que habitamos. Higo. 15-04a de universe-review.ca
Por ejemplo, una partícula en movimiento tiene energía cinética: la energía asociada con su movimiento a través del Universo. Cuando un objeto masivo y de movimiento rápido choca con otro objeto, le impartirá energía e impulso como resultado de la colisión, independientemente de lo que ocurra. Esta forma de energía existe encima de la energía de masa de reposo de la partícula; es una forma de energía intrínseca al movimiento de la partícula.
Pero esa es una forma de energía que se puede eliminar sin cambiar la naturaleza de la partícula en sí. Simplemente al impulsarte para que te muevas con la misma velocidad exacta (magnitud y dirección) que la partícula que estás viendo, puedes disminuir la energía total de esa partícula, pero solo hasta un cierto mínimo. Incluso si elimina toda su energía cinética, su energía de masa en reposo, la parte definida por E = mc2, continuará sin alteraciones.
Sol, que luego se mueve a través de la galaxia en una dirección de movimiento diferente. Tenga en cuenta que todos los planetas están en el mismo plano, y no se arrastran detrás del Sol ni forman una estela de ningún tipo. Si nos moviéramos en relación con el Sol, parecería tener mucha energía cinética; sin embargo, si nos moviéramos con la misma velocidad que él en la misma dirección, su energía cinética caería a cero. Rhys Taylor
Podría pensar que esto significa que puede eliminar cualquier forma de energía que no sea la energía de masa de reposo, entonces, para cualquier sistema. Todas las otras formas de energía que se te ocurran-energía potencial, energía aglutinante, energía química, etc. – están separados de la misa de descanso, es verdad. En las condiciones adecuadas, estas formas de energía se pueden quitar, dejando solo las partículas desnudas, inmóviles y aisladas. En ese punto, la única energía que tendrían es su energía de masa de reposo: E = mc2.
Entonces, ¿de dónde viene la masa de reposo, la m en E = mc2 ? Podrías responder rápidamente «el Higgs», que es parcialmente correcto. En las primeras etapas del Universo, menos de 1 segundo después del Big Bang, se restauró la simetría electrodébil que unificó la fuerza electromagnética con la fuerza nuclear débil, comportándose como una sola fuerza. Cuando el Universo se expandió y enfrió lo suficiente, esa simetría se rompió, y las consecuencias para las partículas del Modelo Estándar fueron tremendas.
top), todo es simétrico y no hay un estado preferido. Cuando la simetría se rompe a energías más bajas (bola azul, fondo), la misma libertad, de todas las direcciones siendo la misma, ya no está presente. En el caso de ruptura de simetría electrodébil, esto hace que el campo de Higgs se acople a las partículas del Modelo Estándar, dándoles masa. Phys. Hoy 66, 12, 28 (2013)
Por un lado, muchas de las partículas, incluidos todos los quarks y leptones cargados, adquirieron una masa de reposo no nula. Debido al acoplamiento de cada uno de estos cuantos de energía al campo de Higgs, un campo cuántico que impregna el Universo, muchas partículas ahora tienen una masa de reposo no nula. Esta es una respuesta parcial a de dónde proviene la energía en la m de estas partículas: de su acoplamiento a un campo cuántico fundamental.
Pero no siempre es tan simple como eso. Si tomas la masa de un electrón y tratas de explicarla basándose en el acoplamiento del electrón al Higgs, tendrás 100% de éxito: la contribución del Higgs a la masa del electrón te da exactamente la masa del electrón. Pero si tratas de explicar la masa del protón con esto, sumando las masas restantes de los quarks y gluones que lo componen, te quedarás corto. Muy corto, de hecho: en lugar de obtener el valor real de 938 MeV/c2, obtendrá solo ~1% del camino.
modelo estándar (de una manera que muestra las relaciones y patrones clave de forma más completa, y menos engañosa, que en la imagen más familiar basada en un cuadrado de partículas de 4×4). En particular, este diagrama representa todas las partículas en el Modelo Estándar (incluyendo sus nombres de letras, masas, giros, manecillas, cargas e interacciones con los bosones de calibre: es decir, con las fuerzas fuertes y electrodébiles). También representa el papel del bosón de Higgs, y la estructura de la ruptura de simetría electrodébil, indicando cómo el valor de expectativa de vacío de Higgs rompe la simetría electrodébil, y cómo las propiedades de las partículas restantes cambian como consecuencia. Latham Boyle y Mardus de Wikimedia Commons
Dado que los protones (y otros núcleos atómicos relacionados) están hechos de quarks y gluones, y componen la mayoría de la masa de la materia normal (conocida) en el Universo, debe haber otro contribuyente. En el caso de los protones, el culpable es la fuerza nuclear fuerte. A diferencia de las fuerzas gravitacionales y electromagnéticas, la fuerza nuclear fuerte, basada en la cromodinámica cuántica y la propiedad de «color» de los quarks y los gluones, en realidad se hace más fuerte cuanto más lejos se encuentran dos quarks.
Formado por tres quarks cada uno, cada nucleón en un núcleo atómico se mantiene unido por gluones intercambiados entre estos quarks: una fuerza similar a un resorte que se hace más fuerte cuanto más separados están los quarks. La razón por la que los protones tienen un tamaño finito, a pesar de estar hechos de partículas puntuales, es debido a la fuerza de esta fuerza y a las cargas y acoplamientos de las partículas dentro del núcleo atómico.
la existencia de la «carga de color» y el intercambio de gluones, es responsable de la fuerza que mantiene unidos a los núcleos atómicos. Un gluón debe consistir en una combinación de color / anticolor para que la fuerza fuerte se comporte como debe, y lo hace. El usuario de Wikimedia Commons Qashqaiilove
Si los quarks pudieran ser liberados de alguna manera, la mayor parte de la masa en el Universo se convertiría de nuevo en energía; E = mc2 es una reacción reversible. A energías ultra altas, como en el Universo muy temprano o en colisionadores de iones pesados como RHIC o en el LHC, estas condiciones se han logrado, creando un plasma de quark-gluón. Sin embargo, una vez que las temperaturas, energías y densidades caen a valores lo suficientemente bajos, los quarks se vuelven a confinar, y de ahí proviene la mayoría de la masa de la materia normal.
En otras palabras, es mucho menos energéticamente favorable tener tres quarks libres, incluso con la masa de reposo no cero que les ha dado el Higgs, que tener esos quarks unidos en partículas compuestas como protones y neutrones. La mayor parte de la energía (E) responsable de las masas conocidas (m) en nuestro Universo proviene de la fuerza fuerte y la energía de unión introducida por las reglas cuánticas que gobiernan las partículas con una carga de color.
su giro, pero también lo hacen los gluones, los quarks marinos y los antiquarks, y el momento angular orbital también. La repulsión electrostática y la fuerza nuclear fuerte y atractiva, en tándem, son las que dan al protón su tamaño, y las propiedades de la mezcla de quarks son necesarias para explicar el conjunto de partículas libres y compuestas en nuestro Universo. La suma de las diferentes formas de energía de enlace, junto con la masa de reposo de los quarks, es lo que da masa al protón y a todos los núcleos atómicos. APS / Alan Stonebraker
Lo que todos aprendimos hace mucho tiempo sigue siendo cierto: la energía siempre se puede convertir de una forma a otra. Pero esto ocurre solo a un costo: el costo de bombear suficiente energía a un sistema para eliminar esa forma adicional de energía. Para el ejemplo de energía cinética anterior, eso significaba aumentar su velocidad (como observador) o la velocidad de la partícula (en relación con usted, el observador) hasta que coincidan, los cuales requieren la entrada de energía.
Para otras formas de energía, puede ser más compleja. Los átomos neutros son ~0.0001% menos masivo que los átomos ionizados, ya que la unión electromagnética de electrones a núcleos atómicos emite aproximadamente 10 eV de energía cada uno. La energía potencial gravitacional, resultante de la deformación del espacio debido a una masa, también juega un papel. Incluso el planeta Tierra, en su conjunto, es aproximadamente un 0,00000004% menos masivo que los átomos que lo componen, ya que la energía potencial gravitacional de nuestro mundo asciende a 2 × 1032 J de energía.
cuadrícula, colocar una masa hacia abajo hace que lo que habrían sido líneas ‘rectas’ en su lugar se curven en una cantidad específica. La curvatura del espacio debido a los efectos gravitacionales de la Tierra es una visualización de la energía potencial gravitacional, que puede ser enorme para sistemas tan masivos y compactos como nuestro planeta. Christopher Vitale de Networkologies y el Instituto Pratt
Cuando se trata de la ecuación más famosa de Einstein, E = mc2 nos dice que todo lo que tiene masa tiene una cantidad fundamental de energía inherente que no se puede eliminar de ningún modo. Solo destruyendo el objeto por completo, ya sea colisionándolo con antimateria (causando la liberación de energía) o bombeando suficiente energía en él (solo para partículas compuestas, dejando intactos sus constituyentes fundamentales), podemos convertir esa masa de nuevo en energía de alguna forma.
Para las partículas fundamentales del Modelo Estándar, el campo de Higgs y su acoplamiento a cada una de esas partículas proporciona la energía que constituye la masa, m. Pero para la mayoría de la masa conocida en el Universo, protones, neutrones y otros núcleos atómicos, es la energía de enlace que surge de la fuerza fuerte que nos da la mayor parte de nuestra masa, m. ¿Para la materia oscura? Nadie lo sabe todavía, pero podría ser el Higgs, alguna forma de energía de enlace, o algo completamente novedoso. Sin embargo, cualquiera que sea la causa, algo está proporcionando la energía para esta masa invisible. E = mc2 es seguro que permanecerá verdadero.
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