Pregúntele a Ethan: ¿Existe tal cosa como la energía limpia?

La aparición del bosón de Higgs en un detector de solenoide de muón compacto en el Gran Colisionador de Hadrones. Esta colisión de alta energía ilustra el poder total de la conversión de energía que siempre existe en forma de partículas.

La energía juega un papel crucial no solo en nuestra vida cotidiana, llena de tecnología, sino también en la física fundamental. La energía química almacenada en la gasolina se convierte en la energía cinética de nuestros vehículos, y la electricidad de las centrales eléctricas se convierte en luz, calor y otras formas de energía en nuestros hogares. Pero esta energía parece existir en forma de una propiedad de un sistema independiente. ¿Pero todo tiene que ser así? Nuestro lector de Moscú hace una pregunta sobre la energía misma:

¿Hay energía pura, quizás poco tiempo antes de convertirse en una partícula o un fotón? ¿O es solo una abstracción matemática conveniente, el equivalente que usamos en física?

En un nivel fundamental, la energía puede tomar muchas formas.


Partículas conocidas en el modelo estándar. Estas son todas las partículas que descubrimos directamente; Con la excepción de unos pocos bosones, todas las partículas tienen masa.

La forma más simple y famosa de energía se expresa a través de la masa. Por lo general, no discutimos en términos de E = mc ² de Einstein, pero cada objeto físico que haya existido en el Universo consiste en partículas masivas, y simplemente porque tienen masa, estas partículas tienen energía. Si estas partículas se mueven, tienen energía adicional: cinética o energía de movimiento.


Transiciones electrónicas en un átomo de hidrógeno, junto con las longitudes de onda de los fotones resultantes, ilustración de la energía de enlace.

Finalmente, estas partículas pueden unirse entre sí de varias maneras, formando estructuras más complejas: núcleos, átomos, moléculas, células, organismos, planetas, etc. Este tipo de energía se conoce como energía de enlace, y en realidad es negativa. Reduce la masa en reposo de todo el sistema y, por lo tanto, la fusión nuclear que ocurre en los núcleos de las estrellas puede emitir tanta luz y calor: convirtiendo la masa en energía a través de la misma fórmula E = mc ² . Durante los 4.500 millones de años de historia del Sol, ha perdido aproximadamente la masa de Saturno simplemente debido a la síntesis de helio a partir del hidrógeno.


El sol genera energía al sintetizar helio a partir de hidrógeno en el núcleo, perdiendo una pequeña cantidad de masa en el proceso.

El sol proporciona otro ejemplo de energía: la luz y el calor vienen en forma de fotones que difieren de las formas de energía que hemos descrito. También hay partículas sin masa (partículas sin energía en reposo) y estas partículas, fotones, gluones y gravitones hipotéticos, se mueven a la velocidad de la luz. Sin embargo, transfieren energía en forma de energía cinética y, en el caso de los gluones, son responsables de la energía de unión dentro de los núcleos atómicos y los protones.


La teoría de la libertad asintótica , que describe la fuerza de las interacciones de los quarks en el núcleo, llevó el Premio Nobel a Gross, Wilczek y Politzer.

La pregunta fundamental es si la energía puede existir independientemente de cualquiera de estas partículas. Había una posibilidad tentadora de que existiera por separado en forma de gravedad: durante muchas décadas hemos estado observando las órbitas de las estrellas de neutrones binarias, dos restos de estrellas colapsadas que orbitan entre sí. Gracias a las mediciones de la duración del pulso del púlsar, cuando una de las estrellas envía señales regulares a nuestro lado, pudimos determinar que estas órbitas están disminuyendo y moviéndose juntas en espiral. Con un aumento en su energía de unión, se debe emitir alguna forma de energía. Pudimos detectar efectos de reducción, pero no energía radiada.


Para las estrellas de neutrones que giran entre sí, la relatividad general de Einstein predice una disminución en las órbitas y la emisión de radiación gravitacional

La única forma de explicar esto fue introduciendo algún tipo de radiación gravitacional: necesitábamos ondas gravitacionales para existir. Se suponía que la primera fusión de agujeros negros registrada por el detector LIGO el 14 de septiembre de 2015 probaría esta teoría. Ese día, registramos dos agujeros negros en espiral juntos, y ondas gravitacionales directas emitidas por esta fusión. Los agujeros negros originales tenían masas de 36 y 29 solares; El último hoyo después de la fusión tenía una masa de 62 solares.


Los parámetros más importantes para la fusión de los agujeros negros 14 de septiembre de 2015. Tenga en cuenta que durante la fusión, se perdieron tres masas solares, pero esta energía vive en forma de radiación gravitacional

Las tres masas solares que faltan se emitieron en forma de ondas gravitacionales, y la fuerza de las ondas que capturamos coincidió exactamente con la calculada necesaria para conservar energía. La E = mc ^{2 de} Einstein y la transferencia de energía en forma de partículas o fenómenos físicos se confirmaron nuevamente.


Enfoque en espiral y fusión del primer par de agujeros negros de todos los observados directamente

La energía toma varias formas, y algunas de ellas son fundamentales. La masa en reposo de una partícula no cambia con el tiempo, así como no cambia de partícula a partícula. Este tipo de energía es inherente a todo en el Universo. Todas las otras formas de energía existentes están asociadas con ella. Un átomo en un estado excitado transporta más energía que un átomo en el estado fundamental, debido a la diferencia en la energía de unión. Si desea ir a un estado de energía más bajo, necesita emitir un fotón; es imposible hacer esta transición sin conservar energía, y esta energía debería ser arrastrada por una partícula, incluso si no tiene masa.


En esta imagen, un fotón (púrpura) transporta un millón de veces más energía que otro (amarillo). Los datos del Observatorio Fermi para dos fotones de una explosión de rayos gamma no muestran ningún retraso en el tiempo de viaje, lo que significa que la velocidad de la luz es independiente de la energía.

El hecho extraño es que la energía del fotón, o cualquier forma cinética de energía (energía de movimiento) no es fundamental, sino que depende del movimiento del observador. Si te mueves hacia el fotón, su energía parecerá más grande para ti (la longitud de onda cambia a la parte azul del espectro), y si te alejas de ella, su energía será menor y parecerá desplazada a la parte roja del espectro. La energía es relativa, pero para cualquier observador se conserva. Independientemente de las interacciones, la energía nunca existe por sí misma, sino solo como parte de un sistema de partículas, masivas o no.


La energía puede cambiar de forma, incluso transformarse de la energía de la masa a puramente cinética, pero siempre existe en forma de partículas.

Hay un tipo de energía que probablemente puede prescindir de las partículas: la energía oscura. ¡La forma de energía que hace que el universo se expanda con aceleración puede llegar a ser la energía inherente al tejido del universo! Esta interpretación de la energía oscura es internamente consistente y coincide con las observaciones de galaxias y cuásares que están lejos y lejos de nosotros. El único problema es que esta forma de energía no se puede usar para crear o destruir partículas, y no se puede convertir entre otras formas de energía. Parece ser una entidad en sí misma, no relacionada con las interacciones con otras formas de energía que existen en el universo.


Sin energía oscura, el universo no se aceleraría. Pero uno no puede alcanzar esta energía a través de otras partículas del Universo.

Entonces la respuesta completa a la pregunta de la existencia de energía limpia será esta:

• Para todas las partículas existentes, masivas y no, la energía es una de sus propiedades y no puede existir por separado.
• Para todas las situaciones en las que parece que se pierde energía en el sistema, por ejemplo, durante la extinción gravitacional, existe alguna forma de radiación que se lleva esta energía y la conserva.
• La energía oscura puede ser la forma más pura de energía que existe independientemente de las partículas, pero, con la excepción de la expansión del Universo, esta energía es inaccesible para cualquier otra cosa en el Universo.

Hasta donde sabemos, la energía no es algo que se pueda aislar en el laboratorio, sino una de las muchas propiedades que poseen la antimateria y la radiación. ¿Crear energía independiente de partículas? Quizás el Universo esté haciendo esto, pero hasta que aprendamos cómo crear o destruir el espacio-tiempo, tales acciones no funcionan para nosotros.

Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].