Materia
y energía: En una bomba nuclear se convierte materia en energía. ¿Es posible
hacer lo contrario y convertir energía en materia?
(Por
Ángel M. Uranga Urteaga)
Capítulo 48 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!
En la física tradicional, newtoniana,
materia y energía son dos conceptos esenciales, pero muy diferentes. La materia
corresponde a los objetos físicos, cuyo movimiento se intenta describir cuantitativamente,
y que están caracterizados por su masa, es decir su inercia frente a los
cambios de estado de movimiento. Por otro lado, la energía es una entidad más
abstracta, y que se puede entender como la capacidad de efectuar un trabajo, es
decir, de ejercer fuerzas sobre la materia (así, la energía cinética de
movimiento de un objeto puede ejercer fuerzas sobre otro mediante un choque;
igualmente, la energía potencial de un objeto describe el almacenamiento de
esta capacidad, y produce movimiento cuando se libera). Es un principio familiar y cotidiano que tanto la materia (o
la masa) como la energía ni se crean ni se destruyen, solo se transforman.
Sin
embargo, estos principios aparentemente inamovibles son solo aproximaciones a
una realidad más profunda, que se manifiesta claramente solo cuando se intentan
describir objetos con velocidades próximas a la de la luz, el reino de la
Relatividad Especial. Uno de los
resultados más profundos de la Teoría Especial de la Relatividad de Einstein es
la relación entre la materia (o la masa) y la energía. En resumen, cualquier
forma de energía presente en un sistema contribuye a su masa, entendida como
inercia respecto del cambio de su estado de movimiento. Por ejemplo,
consideremos una bola de metal hueca, rellena de agua en reposo, y una bola
idéntica pero rellena de agua en agitado movimiento. En Relatividad especial,
la energía cinética del movimiento del agua en el segundo caso se manifiesta en
que la masa de la segunda bola rellena es ligeramente mayor que la del primero
(en general, con una diferencia tan enormemente pequeña que es inobservable en
experimentos mecánicos con bolas huecas, pero no nula en principio).
Igualmente, una bola hueca llena de radiación electromagnética tiene una masa
ligerísimamente mayor que una bola hueca vacía, debido a la energía del campo
electromagnético en el primer caso. Como ejemplo final, este principio está
relacionado con que la existencia de una velocidad máxima (la de la luz
c=300.000 km/s) en Relatividad. Cuando un objeto tiene gran velocidad, su
energía cinética se puede traducir a un aumento de su masa (inercia), por lo
que cuesta mucho acelerarla aún más. Al aproximarse a la velocidad de la luz,
la contribución de la energía cinética a la masa/inercia se aproxima a infinito,
por lo que nunca es físicamente posible alcanzar esa velocidad límite.
Centrándonos
en objetos en reposo, las ideas anteriores se resumen en la famosa ecuación
E=mc2, que relaciona la contribución de una energía (de cualquier
tipo) “E” de un sistema con su contribución a la masa “m” de ese sistema.
Alternativamente, también establece que una partícula con masa (en reposo) “m”
posee, simplemente por el hecho de existir, una cantidad de energía “E”. Esta
energía puede imaginarse como energía potencial, que puede ser liberada cuando
el sistema (la partícula) experimenta algún cambio en su masa. Por lo tanto,
masa y energía son conceptos intercambiables. Y el principio de conservación de
la masa y de la energía como entes independientes no tiene sentido, y es
sustituido por el principio de conservación de la masa-energía. Es decir, es
perfectamente posible la existencia de procesos en los que cierta cantidad de
masa queda liberada en forma de energía, e inversamente, de procesos en los que
cierta cantidad de energía se transforma en masa de nuevos objetos o
partículas.
Los
procesos en los que cierta cantidad de masa de un sistema queda liberada en
forma de energía nos resultan familiares, ya que se producen en las reacciones
nucleares. Un ejemplo en el contexto cósmico es la fusión de hidrógeno en helio
en el corazón de las estrellas, como el Sol. La masa de un núcleo de hidrógeno
(un protón) es 1,67 x 10-27 kg, mientras que un núcleo de helio (dos protones y dos
neutrones unidos) es 6,64 x 10-27 kg. El núcleo del Sol es una
fábrica que convierte grupos de cuatro protones en núcleos de helio. El proceso
por el que dos de estos protones se transmutan en dos neutrones está mediado
por la interacción débil, que se trata en otros capítulos; asimismo, en el
proceso de fusión se pasan por otros estados intermedios, con núcleos de
deuterio, etc. Afortunadamente, solo nos interesa el balance energético entre
el estado inicial y el estado final, que es independiente de los pasos
intermedios. La diferencia de masa es de aproximadamente 0,04 x 10-27 kg, que corresponde a una diferencia de energía
de 0,36 x 10-11 Julios. Tomando 1 kilogramo de material obtenemos
una energía del orden de 1015 Julios,
aproximadamente 1 Megatón. El Sol quema aproximadamente 6 x 1011 kilogramos
cada segundo, por lo que emite 1011 Megatones por segundo, gracias a
los cuales nuestra Tierra es un planeta apto para nuestra existencia.
Un
cálculo similar nos permitiría calcular la energía liberada en una bomba
nuclear de fusión; o de forma más beneficiosa para la Humanidad, en las futuras
centrales nucleares de fusión, cuando este proceso se pueda producir de forma
controlada. Otro ejemplo es el de las reacciones de fisión, como las que se
producen en las bombas nucleares, o en las centrales nucleares. En este caso,
cuando un núcleo de uranio-235 captura un neutrón se descompone en, por
ejemplo, un núcleo de bario-141 y uno de
kryptón-92, con emisión de tres neutrones. La diferencia de masas entre los
sistemas inicial y final se transforma en energía emitida, del orden de 1
Megatón por kilogramo.
Un
ejemplo final más próximo a la física de partículas es la aniquilación de
partículas de materia con partículas de antimateria. Para cada partícula
conocida existe una antipartícula, una partícula con exactamente la misma masa,
pero con cargas opuestas. Cuando una partícula y su antipartícula colisionan,
se aniquilan y liberan la totalidad de su masa en forma de energía, por ejemplo
mediante la emisión de fotones (radiación electromagnética). Introduzcamos,
como es habitual, unidades de energía adaptadas a la física de partículas,
concretamente 1 GeV = 1,6 x 10-10 Julios.
El equivalente en energía de la masa de un protón es 0,938 GeV, por lo que una
aniquilación de un protón y un antiprotón en reposo liberan una energía de
1,876 GeV, unas 100 veces superior a las reacciones de fusión.
Los
ejemplos de reactores o bombas nucleares pueden llevarnos a especular (como ha
sido el caso en ciertas obras de ficción) con la posibilidad de construir artefactos
de destrucción basados en antimateria. Sin embargo, esto no es factible ya que
la antimateria no se encuentra de forma natural en la Tierra (ni en nuestro
universo observable), salvo en efímeros fenómenos como radioactividad natural o
rayos cósmicos. Y la producción de antimateria en laboratorios es
energéticamente muy costosa, y altamente ineficaz. Por ejemplo, el experimento
Decelerador de Antiprotones del CERN, Ginebra, Suiza, produce anti-átomos de
hidrógeno; en toda su historia ha conseguido acumular solo 10 nanogramos (es
decir, 10-8 gramos), cuya aniquilación produciría la muy pequeña
cantidad de energía de 10.000 Julios (equivalente por ejemplo al consumo de una
bombilla de 60W durante 4 horas).
Hasta
ahora hemos descrito procesos en los que la masa se convierte en energía. Pero
existen muchos procesos y fenómenos en los que la energía se convierte en masa.
Uno de los más cotidianos (y por tanto, desapercibido) radica en la propia masa
de un protón. Un protón es una partícula compuesta, hecha de tres quarks (dos
quarks de tipo “up” y un quark de tipo “down”). Sin embargo, la masa en reposo
de los quarks es muchísimo más pequeña que la masa de un protón,
aproximadamente solo un 1%. La masa del protón es en su 99% la manifestación de
la energía de los intensísimos campos de la interacción de color (gluones) que
mantienen los quarks unidos formando el protón. Es una realización física
similar a nuestro anterior ejemplo académico de una bola hueca llena de
radiación, con la salvedad de que en este caso el campo de radiación (de color)
no es una contribución insignificante (sino la dominante) a la masa.
La
física de partículas nos proporciona muchos otros ejemplos de transformación de
energía en materia. Los aceleradores de partículas son experimentos basados en
este principio. Tomando como ejemplo el LHC, en el CERN, Ginebra, Suiza, los
protones (cuya masa en reposo es 0,938 GeV) se aceleran hasta que su energía
total es de 6.500 GeV, de modo que en su colisión esta energía puede
convertirse en masa de nuevas partículas, posiblemente mucho más pesadas que
los propios protones que colisionan. Un ejemplo es el bosón de Higgs, cuya masa
es equivalente a aproximadamente 125 GeV, y por tanto sería imposible de
producir a partir de dos protones si no fuera por la transformación de energía
cinética en materia.
En
general, la transformación de energía en materia no es solo una curiosidad
académica: es el principio que subyace en todos los experimentos que intentan
descubrir nuevas partículas con masas superiores a las observadas hasta el
momento, y por tanto el que define la frontera de nuestro conocimiento de lo
infinitamente pequeño.
Ángel M. Uranga Urteaga
Doctor en Física Teórica.
Profesor de Investigación, Instituto de Física Teórica CSIC.
Realizó su licenciatura en la Universidad del País vasco y la Universidad Autónoma de Madrid, donde posteriormente se doctoró en 1997. Después de estancias postdoctorales en el Instituto de estudios Avanzados de Princeton y en CERN, se incorporó a la Universidad Autónoma de Madrid en 2001 y al CSIC en 2002, donde permanece como miembro del Instituto de Física Teórica (IFT) UAM-CSIC, del que ha sido director.
Sus investigaciones se centran en la Teoría de Cuerdas, especialmente en la construcción de modelos de compactificación que reproducen el Modelo Estandar de Partículas Elementales. Es coautor del libro "String theory and particle physics: an introduction to string phenomenology" publicado en Cambridge University Press.
Compagina esta actividad con su faceta divulgadora, especialmente la organización desde 2013 del ciclo de conferencias de Física Fundamental del IFT en colaboración con la Residencia de Estudiantes.
ConCiencia: Una cuestión de tiempo.
