Materia y energía

Materia y energía: En una bomba nuclear se convierte materia en energía. ¿Es posible hacer lo contrario y convertir energía en materia? 

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.