¿La ENERGÍA se puede convertir en MATERIA? ⚛

Todo el tiempo estamos usando materia para producir energía. Una reacción química como la combustión libera la energía guardada en los enlaces de las moléculas de oxígeno y nos permite cocer unos ricos frijolitos. También podemos dividir átomos de uranio 235 y liberar la inmensa cantidad de energía que mantiene juntas a las partículas del núcleo para producir una explosión atómica o para generar energía eléctrica en una central nuclear.

Equivalencia masa y energía

Pero cuando vemos la famosa ecuación de Einstein, E=mc2, parece sugerir que así como la masa se puede transformar en energía, la energía podría dar origen objetos con masa.

La famosa ecuación nos dice que  “la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado”. Pero antes que nada hay que evitar confusiones: aunque nos suenen parecido, masa y materia no son lo mismo. La materia no tiene una definición científica precisa, pero coloquialmente le llamamos “materia” a todo lo que tiene volumen, o sea, que ocupa un lugar en el espacio, y que posee masa.

Masa

La masa es, entonces, una propiedad de la materia. Podemos decir que la masa es la resistencia de un objeto a los cambios de movimiento, o sea, es lo mismo que su inercia. Un tren se resiste más a frenar que un automóvil: el tren tiene más masa. En presencia de un campo gravitacional, podemos medir la masa como “peso”. Un costal lleno de piedras se resiste más a alejarse del suelo que un costal lleno de algodón porque el primero tiene más masa.

Ahora un dato que te sorprenderá: la masa de un objeto no es simplemente la suma de las masas de sus componentes. La masa total depende de cómo están organizadas sus partes y qué tanto se mueven esas partes dentro de ese objeto. Así como lo oyes: un reloj en movimiento tiene más masa que un reloj que no funciona, aunque el número de átomos de cada uno sea el mismo. La tensión de sus resortes, el movimiento de sus engranes y manecillas es energía que se suma a la masa total del reloj. ¿Y cómo se calcula esa masa extra? Bueno, pues es igual a la energía (cinética, potencial, térmica), dividida entre la velocidad de la luz al cuadrado. Claro que, al ser la velocidad de la luz taaaan grande, la masa que se genera es muuuy pequeña. Por eso, en la vida cotidiana no alcanzamos a detectar la diferencia.  Seguro ya notaste algo: si despejamos la E de energía, esta ecuación es la famosísima de Einsten, y de hecho él la escribió en esta forma la primera vez.

“Pero eso es masa extra”, dirás “¿Y el resto de la masa? Porque el reloj que no funciona tiene masa aunque no se muevan sus partes ¿no?” Pues incluso el reloj parado tiene energía: si no está a cero grados kelvin, sus moléculas vibran. En cada átomo los electrones se mueven alrededor de cada núcleo. Y hay energía en la “fuerza fuerte” que mantiene unidos los protones con los neutrones, obligándolos a unirse a pesar de que a los protones los repele su carga positiva. La energía presente ahí es tanta que nos permite aprovechar la energía nuclear. Entonces ¿de dónde obtienen su masa las partículas del átomo? Una parte la obtienen de su interacción con el campo de Higgs: la de los electrones proviene de ahí. Pero la mayor parte de la masa que tienen los átomos (y por lo tanto, de una piedra, de una fruta o de tí mismo), la aportan los protones y neutrones. Y estos no son estas esferitas sólidas que dibujamos los divulgadores. Están formadas por quarks.  Las masas sumadas de los tres quarks que forman un protón son unas 2 mil o 3 mil veces menores que la masa de un protón completo ¿de dónde viene el resto de la masa? De la energía potencial con la que interactúan los quarks entre ellos (llamada gluón). Y los quarks mismos le deben su masa a su interacción con el campo eléctrico y el campo de gluones.

Por cierto: Hasta ahora no hemos podido convertir toda la masa de un objeto en energía. Incluso una bomba atómica en la que 1 kilo de plutonio se fisiona, sólo convirtió en energía cinética, térmica y electromagnética 1 gramo de masa.  

¿Es posible crear masa de energía?

Sí, sí es posible crear masa a partir de energía. Lo que pasa es que, como indica la ecuación, se requiere muchísima energía para producir cantidades diminutas de masa. Si aceleras dos fotones, partículas que no tienen masa, para que adquieran una energía espectacular y los haces chocar entre sí... ¡bum! Del choque salen un par de partículas con masa: un electrón y un positrón. Para que esto suceda los fotones deben tener la energía equivalente a la masa de los dos electrones multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. O sea que no puedes hacer el experimento con dos apuntadores láser… pero si trabajaras en un laboratorio con un acelerador de partículas podrías lograr este experimento llamado “creación de pares” como lo hacen frecuentemente quienes estudian la física de partículas.

¿Sabes cuándo se dio una enorme conversión de energía en materia? En los primeros segundos del universo: hace unos 13,800 millones de años, cuando todas las partículas elementales se formaron a partir de la creación de pares.

En el fondo, no es que la masa se convierta en energía o al revés. Masa y energía son lo mismo. Decir que la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado es similar a decir que los centavos son igual a los pesos multiplicados por cien: así como pesos y centavos son dos modos de percibir o medir el dinero, masa y energía son dos modos de percibir un mismo fenómeno. Podemos decir que, a fin de cuentas, la masa es una propiedad que adquiere la energía en ciertas condiciones, tomando las propiedades de lo que llamamos materia. Por lo tanto es acertado afirmar que, en un sentido muy literal y nada místico ¡eres pura energía!

¡CuriosaMente!