La energía que une todo

En mi artículo sobre energía y masa y conceptos relacionados, me concentré en las partículas (perturbaciones de campo) y las ecuaciones mediante las cuales Einstein unió su energía, momento y masa. Pero la energía surge en otros lugares, no solo debido a las partículas. Para comprender realmente el Universo y cómo funciona, es necesario comprender que la energía puede aparecer debido a la interacción de varios campos, o incluso debido a la interacción con el campo mismo. Toda la estructura de nuestro mundo (protones, átomos, moléculas, cuerpos, montañas, planetas, estrellas, galaxias) es el resultado de la presencia de este tipo de energía. De hecho, muchos tipos de energía de los que hablamos como si fueran diferentes entre sí (energía química, energía nuclear, energía electromagnética) son una forma de energía de interacción o están de alguna manera relacionados con ella.

Cuando los estudiantes comienzan a aprender física, este tipo de energía incluye lo que los maestros llaman "energía potencial". Pero dado que la palabra "potencial" en los idiomas inglés [y ruso] no significa lo mismo que en física, y dado que la forma en que se presenta este concepto es muy diferente desde el punto de vista físico moderno, prefiero usar otro nombre para esta energía: para que no contacte con las percepciones del lector, correctas o incorrectas.

Además, en un artículo sobre masa y energía, llamé a la energía de interacción "la energía de las relaciones". A continuación quedará claro por qué, pero decidí que era una mala idea y cambié a otra convención de nomenclatura.

Preámbulo: revisión de conceptos

Desde el punto de vista actual, preferido por los físicos y verificado en experimentos, el mundo entero consta de campos. El ejemplo más intuitivo de un campo es el viento:

• Se puede medir en todas partes,
• Puede ser cero o no cero,
• Las ondas (que llamamos sonido) pueden pasar a través de él.

Las ondas pueden formarse en la mayoría de los campos, y gracias a la mecánica cuántica, estas ondas no pueden ser arbitrariamente pequeñas en altura.

La onda de la altura más pequeña posible, ya sea la amplitud más pequeña y la menor potencia, se denomina "cuántica" o, a menudo, "partícula". Sin embargo, esta última opción a veces genera confusión.

Un fotón es un cuanto, o una partícula de luz ("luz" aquí significa tanto la parte visible del espectro como otras variaciones). Esta es la explosión de luz más tenue posible, la onda menos potente en un campo eléctrico y magnético que se puede crear. Puedes crear dos fotones, tres o sesenta y dos. No puede crear un tercio de un fotón o dos y medio. Sus ojos están diseñados para absorber un fotón a la vez.

Lo mismo se aplica a los electrones, muones, quarks, partículas W, una partícula de Higgs y todo lo demás. Todos estos son cuantos de sus campos.

En este caso, un cuanto, aunque será una perturbación del campo, se comporta como una partícula:

• Mantiene la integridad cuando se mueve en un espacio vacío.
• Tiene cierta, aunque depende del observador, la energía y el impulso.
• Tiene una cierta masa independiente del observador.
• Puede irradiarse o absorberse como un todo.

Permítanme recordarles que en la física de partículas se acostumbra entender en masa lo que antes se llamaba "masa en reposo", para lo cual la ecuación E = mc ² se satisface solo si la partícula está en reposo. Para una partícula en movimiento, E> mc ² , ya que la energía de su masa es mc ² , y la energía del movimiento es siempre positiva. Esta definición debe tenerse en cuenta al leer este artículo.

La energía de los campos que interactúan.

Ahora pasemos a la forma de energía más esquiva. La energía de partículas consiste en la energía de la masa y la energía del movimiento. Recuerde que una partícula es una perturbación del campo, es decir, una onda bien definida.


Fig. 1: un bosquejo de cómo la presencia de un cuanto de un campo (onda azul) crea una perturbación en el segundo campo (verde), alcanzando la mayor intensidad alrededor de la perturbación y disminuyendo a cero cuando se aleja.

Pero los campos son capaces de hacer muchas cosas, no solo de generar disturbios. Por ejemplo, una perturbación en un campo puede causar un cambio sin onda en otro campo. En la fig. 1 Dibujé un caso así: una onda cuántica azul de un campo y la respuesta de otro campo.

Supongamos que tenemos dos partículas, que sean perturbaciones de dos campos diferentes. En la fig. 2 Los marqué con ondas azules y naranjas. Ambos campos interactúan con el campo verde. Luego, cambiar el campo verde será más difícil. Este es un bosquejo, no un reflejo exacto de lo que es demasiado difícil de describir, pero él da una idea.

¿Cuál es la energía de este sistema de dos partículas: dos perturbaciones de dos campos diferentes y un tercer campo que interactúa con ambos?

Las perturbaciones son quanta, o partículas. Tienen masa y energía de movimiento, y ambas cantidades son positivas.


Fig. 2

Cambiar el campo verde también tiene algún tipo de energía. También es positivo, aunque a menudo es muy pequeño en comparación con la energía de las partículas. A menudo se le llama energía de campo.

Pero en las relaciones de los diversos campos hay energía adicional. La energía es donde los campos azul y verde son fuertes, y también donde los campos naranja y verde son fuertes. Y aquí está la extrañeza. Si comparamos la fig. 1 con la fig. 2, habrá energía en ambos lugares donde los campos azul y verde son fuertes. Pero la presencia de perturbaciones en el campo naranja cercano cambia el campo verde y, por lo tanto, cambia la energía en la región donde se encuentra el campo azul, como se muestra en la Fig. 3)


Fig. 3

Dependiendo de cómo interactúan los campos naranja y verde entre sí, y cómo interactúan los campos azul y verde, el cambio de energía puede ser positivo o negativo. Llamaré a este cambio la energía de la interacción.

La posibilidad de un cambio negativo en la energía de interacción de los campos azul y verde debido a la presencia de una perturbación naranja (y viceversa) es la posibilidad de que la energía de interacción sea negativa es el hecho más importante, por lo que es posible que existan todas las estructuras en el Universo, desde los núcleos atómicos hasta los cuerpos humanos. y galaxias Esto es lo que se describe a continuación.

Tierra y luna

La Tierra, obviamente, no es una partícula. Este es un gran conjunto de partículas, perturbaciones de varios campos. Pero todo lo anterior se aplica a muchas perturbaciones, y no solo a una, y todas interactúan con campos gravitacionales.

Imagina la Tierra sola. Su presencia crea una perturbación en el campo gravitacional (que, desde el punto de vista de Einstein, es una distorsión del espacio y el tiempo locales, pero esto no es crítico para nosotros). Ahora colocamos cerca de la luna. También distorsiona el campo gravitacional. Y el campo gravitacional alrededor de la Tierra está cambiando debido a la presencia de la luna. Los detalles de cómo la gravedad interactúa con las partículas y los campos que componen la Tierra aseguran que la energía negativa de la interacción entre el campo gravitacional y la Tierra aparezca como resultado de la influencia de la luna. Lo contrario también es cierto.

Es por eso que la Luna y la Tierra no pueden volar separadas y permanecer atrapadas, atadas tan fuertemente como si estuvieran conectadas por un cable gigante. Si la Luna estuviera muy lejos de la Tierra, entonces la energía de interacción del sistema (la Tierra, la Luna y el campo gravitacional) sería cero, no negativa. Pero la energía debe ser conservada. Por lo tanto, para mover la Luna más lejos de la Tierra en comparación con su ubicación actual, es necesario llevar una gran cantidad de energía positiva a alguna parte, para aumentar la energía de interacción negativa a cero. La Luna y la Tierra tienen una energía de movimiento positiva debido al movimiento en órbitas, pero no es suficiente para que se dispersen.


Fig. 4: La analogía absoluta con la fig. 3

Y además de chocar otro planeta con la Luna, no hay forma de obtener una energía tan grande, accidental o intencionalmente, de fuentes cercanas. El poder de todas las armas acumuladas por la humanidad no es suficiente. Por lo tanto, la Luna no puede alejarse repentinamente de la Tierra: está aquí durante mucho tiempo, hasta que una catástrofe impresionante la saque de su órbita.

Es posible que sepa que la teoría de la colisión de dos objetos del tamaño de un planeta, la gran proto-tierra y un objeto del tamaño de Marte, se considera la teoría más popular de la formación de la Tierra y la Luna. Esta teoría explica los muchos misterios complejos asociados con la luna. En los albores del sistema solar, definitivamente se produjeron colisiones de alta energía a escala planetaria, ¡ya que el sol y los planetas se formaron hace más de 4 mil millones de años! Pero tales enfrentamientos no han existido por mucho tiempo.

La misma lógica explica por qué los satélites artificiales de la Tierra permanecen en órbita, por qué la Tierra está unida al Sol y el Sol a la Vía Láctea, la ciudad donde viven un billón de estrellas.

Átomo de hidrógeno

En una escala más pequeña y con consecuencias menos obvias, el electrón y el protón que forman el átomo de hidrógeno permanecen conectados entre sí, a menos que la energía provenga del exterior para cambiar su estado. En este caso, el trabajo principal lo realiza el campo eléctrico. En presencia de un electrón, la energía de interacción entre el campo eléctrico y el protón (y viceversa) es negativa. Como resultado, después de formar un átomo de hidrógeno a partir de un electrón y un protón (y esperar una pequeña fracción de segundo hasta que se establecieron en su configuración preferida, estado fundamental), la cantidad de energía necesaria para separarlos sería de aproximadamente 14 eV. Lo llamamos la energía de enlace de hidrógeno.


Fig. 5 (¡ no a escala! El electrón y el protón son mucho más pequeños). Dentro del átomo de hidrógeno, la perturbación electrónica se propaga en forma de una nube alrededor de un protón. La energía de interacción, incluido el campo de protones, electrones y electrones, es -28 eV, está parcialmente compensada (principalmente debido a la energía de movimiento del electrón) y proporciona una energía de enlace de -14 eV.

Podemos medir la energía de enlace iluminando los átomos de hidrógeno con luz ultravioleta (fotones con energía demasiado grande para ser vista por el ojo), y observando qué tan grande debe ser la energía del fotón para romper el átomo de hidrógeno. También podemos calcularlo usando las ecuaciones de la mecánica cuántica, y una predicción exitosa de esta cantidad es una de las pruebas más simples de la teoría moderna de la física cuántica.

Pero ahora quiero volver a lo que mencioné en el artículo sobre masa y energía, a una de las ideas clave de Einstein que adquirió al trabajar con las consecuencias de sus ecuaciones. Si tiene un sistema de objetos, entonces la masa del sistema no será igual a la suma de las masas de los objetos contenidos en él. Ni siquiera es proporcional a la suma de las energías de las partículas contenidas en él. Será igual a la energía total del sistema dividido por c ² desde el punto de vista del observador en reposo en relación con este sistema. (Para un observador en movimiento, el sistema también tendrá energía de movimiento que no agrega masa al sistema). Esta energía total incluye:

• La energía de la masa de partículas (fluctuaciones de campo),
• Energías de movimiento de partículas,
• Otras fuentes de energía de campo resultantes de perturbaciones no ondulatorias,
• Energías de interacción de campo.

¿Qué aprendimos del hecho de que se necesitan 14 eV para destruir un átomo de hidrógeno? Bueno, habiendo roto este sistema, te encontrarás con un protón y un electrón en tus manos, lejos el uno del otro, y sin moverte especialmente rápido. En ese momento, la energía del sistema será:

• Energía de masa de partículas = energía de masa de electrones + energía de masa de protones = 510999 eV + 938272013 eV
• Energía de partículas = 0
• Otras fuentes de energía de campo resultantes de perturbaciones sin ondas = 0
• Energías de interacción de campo = 0

Pero sabemos que antes el sistema de átomos de hidrógeno tenía una energía de 14 eV menos.

La energía de masa de electrones es siempre 510999 eV, y el protón 938272013 eV, independientemente de lo que hagan. Por lo tanto, la contribución de la energía de la masa de hidrógeno a la energía total es la misma que la del electrón y el protón diluido a los lados. Se debe obtener lo siguiente:

• La energía del movimiento de las partículas dentro del hidrógeno,
• ADEMÁS de otras fuentes de energía de campo provenientes de perturbaciones sin ondas (extremadamente pequeñas),
• MÁS energía de interacción de campo,
• Las energías de unión -14 eV deben ser IGUALES.

Y si realiza todos los cálculos, los números son algo como esto:

• Energía de partículas = +14 eV,
• otras fuentes de energía de campo provenientes de perturbaciones sin ondas = extremadamente pequeño,
• energía de interacción de campo = -28 eV,

y la suma de todo esto es igual a -14 eV.

El hecho de que la energía de interacción sea igual a -2 * la energía de movimiento, no es accidental. En términos generales, esto se desprende de la ley de cuadrados inversos para campos eléctricos. Específicamente, esto se desprende del teorema virial .

¿Cuál es, entonces, la masa del átomo de hidrógeno?

masa de electrones + masa de protones + energía de enlace / c ²

Y dado que la energía de unión es negativa debido al gran módulo y la energía de interacción negativa, resulta

$$

$$m_ {hidrógeno} <m_ {protón} + m_ {electrón}$$

¡Este es uno de los hechos más importantes del universo!

¿Por qué no se descompone un átomo de hidrógeno?

Ahora te diré lo mismo, pero en un lenguaje ligeramente diferente, el lenguaje de la física de partículas.

El hidrógeno es un objeto compuesto estable, que consiste en un protón y un electrón, conectados a través de la interacción con un campo eléctrico.

¿Por qué es estable?

Cualquier objeto inestable se descompondrá. La descomposición es posible solo si la suma de las masas de partículas en las que decae el objeto primario es menor que la masa del objeto inicial. Esto se desprende de las leyes de conservación de la energía y el impulso .

Las cosas más pequeñas en las que un átomo de hidrógeno puede descomponerse son un protón y un electrón. Pero la masa del átomo de hidrógeno es menor (debido a la energía de enlace negativa de 14 eV) de la suma de las masas del electrón y el protón. Una vez más, esto es importante:

$$

$$m_ {hidrógeno} <m_ {protón} + m_ {electrón}$$

Pero el hidrógeno no puede descomponerse en otra cosa, por lo tanto, el hidrógeno no puede descomponerse en absoluto.

Todo esto funciona hasta que el protón se descompone, lo que, si puede suceder, es increíblemente raro: nunca hemos visto un evento así. Ya sabemos con certeza que este es un evento tan raro que durante su vida ni un solo protón se descompondrá en su cuerpo. Entonces dejaremos pasar esta oportunidad.

Lo mismo es cierto para los átomos restantes. Los átomos son estables porque la energía de interacción de los electrones y los núcleos atómicos es negativa. La masa de un átomo es menor que la suma de las masas de sus componentes, por lo que el átomo no puede separarse en electrones y el núcleo.

Una trampa: un átomo puede desmoronarse de manera diferente, como resultado de la desintegración nuclear. Y si el protón no puede descomponerse (o lo hace extremadamente raramente), para la mayoría de los núcleos la situación ya es completamente diferente.

Y eso nos lleva a cuestiones importantes.

• ¿Por qué un neutrón, en sí mismo inestable, es estable en un núcleo atómico?
• ¿Por qué algunos núcleos atómicos son estables y otros no?
• ¿Por qué es estable un protón, a pesar de ser más pesado que los quarks que contiene?