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¿Qué es la energía?
La energía es uno de esos conceptos que todo el mundo maneja pero que parece no tener un significado preciso. Realmente lo tiene y muy preciso, pero es un concepto realmente abstracto. Y nadie ha conseguido crear una imagen intuitiva de lo que puede ser la energía.
No pretendo desde luego hacer lo que hacen mejor que yo los libros de texto, sino que quiero jugar con la intuición del lector para mostrarle lo complicada que es la relación entre nuestro juego de cálculos y predicciones en física y nuestra imagen mental del mundo externo, cómo una interfiere con la otra a veces de forma negativa --piensen por ejemplo en las famosas paradojas de la mecánica cuántica--, pero a veces de forma tremendamente positiva. De hecho, personalmente tengo la convicción de que entender el mundo que nos rodea consiste nada más y nada menos que en crear modelos matemáticos que hagan predicciones para luego intentar adaptar nuestra intuición a lo que nos sugieren esos modelos, creando analogías que nos resulten más familiares al mundo que es capaz de recrear nuestro cerebro y así seamos capaces de construir analogía más elaboradas que impliquen modelos también más elaborados, en una especie de retroalimentación entre modelos y analogías.
Por otro lado, los libros de texto a veces no sirven a muchas personas interesadas. Recuerdo a un colega profesor de matemáticas que estaba muy interesado en la física pero que encontraba los libros de física en general como matemáticas aplicadas que no le decían nada relevante sobre lo que él de verdad quería saber. Hasta que le recomendé que leyera a
Richard Feynman. Feynman era muy atípico en sus cursos de introducción a la física. No le importaba hablar de cosas que los demás físicos no se atreven a hacer muchas veces por no dejar entrever su dudas razonables sobre un montón de aspectos y por no parecer informales. Pero a veces es eso lo que la gente que va buscando respuestas más aprecia.
Richard Feynman
escribió la que es quizás la mejor de las analogías que nadie haya hecho. Voy a contarla con alguna variación respecto a la original con objeto de abreviar. Imagine el lector un niño con un juego de lego con 28 piezas todas iguales. Su madre le abre todos los días la caja de legos, se la da al niño y al final del día cuenta todas las piezas para comprobar que efectivamente están las 28. Un día descubre que sólo hay 25 bloques y que el niño está jugando con una cajita cerrada. Pero el niño le impide mirar en la caja para ver si faltan las tres piezas --ya saben cómo se ponen los niños cuando uno los contradice--. Pero como no hay nadie más listo que una madre en esas circunstancia, inventa un ardid para no tener que mirar en la caja. Espera a ver las 28 piezas de lego y entonces pesa la caja y pesa una de las piezas. Ahora, cada vez que el niño juegue con los legos y la caja sólo tiene que comprobar lo siguiente:
(Número de piezas a la vista)
+ {(peso de la caja) - (peso de la caja vacía)}/(peso de una pieza)
= 28
Pero a veces observa que haciendo estas cuentas no sale 28. Sin embargo, nota que el agua sucia de la bañera a veces termina con un nivel más elevado del que ella había puesto. Como el niño anda siempre en los alrededores, si decide buscar dentro de la bañera no podría estar siempre segura de que durante su búsqueda el niño no ponga o quite alguna otra pieza de lego. Un día ingenia otro método que consiste en poner marcas en la bañera, de tal forma que ahora tiene que hacer la siguiente operación
(Número de piezas a la vista)
+ {(peso de la caja) - (peso de la caja vacía)}/(peso de una pieza)
+ {(altura del agua) - (altura original)}/(altura de una sola pieza)
= 28
Vemos que en diferentes situaciones la madre tiene que ir ingeniando determinados procedimientos de cálculo hasta encontrar uno que produzca la suma deseada.
Ahora la parte principal de la analogía consiste en abstraer y quitar los legos de toda la historia. Y quitar por tanto los primeros términos de las dos ecuaciones anteriores. Así, uno va calculando términos diferentes que denomina con diferentes nombres --energía cinética, potencial, química, etc-- en diferentes situaciones, de tal manera que al sumarlos produzcan una cantidad constante. Tendemos a razonar que "algo" como los legos va da acá para allá, y así hablamos de transferencia de energía o cambio de un tipo a otro --como legos que pasan de la caja a la bañera--.
La pregunta del millón ahora es ¿por qué la energía tiene que permanecer constante?. La razón es simple de contar en palabras y algo más difícil de demostrar matemáticamente. En nuestro concepto de ley de la física es intrínseca la noción de que ésta sea la misma ahora que dentro de una hora que dentro de mil años. Pero para que eso sea cierto, tiene que existir una cantidad numérica relacionada con las magnitudes que entran en las fórmulas que tiene por fuerza que permanecer constante. Por ejemplo, la famosa ley de Newton
implica las magnitudes fuerza, masa y la aceleración. Si exigimos que esta ley dentro de un momento siga siendo F = m a, tiene que existir una cantidad que dependa de la masa, la velocidad --relacionada con la aceleración-- y la fuerza. Esa cantidad constante es la suma de dos términos, la energía cinética y el trabajo realizado por la fuerza (en el caso de un campo como la gravedad) al desplazarse el sistema considerado de un lugar a otro, que denominamos energía potencial.
Formalmente, la relación entre ley invariante temporalmente y energía fue demostrada por la matemática Emmy Noether y es conocido como
teorema de Noether. El teorema de Noether establece una definición perfectamente precisa de lo que es la energía: cantidad que permanece invariante en un sistema físico cuando hacemos una translación temporal de las leyes que utilizamos para describirlo y exigimos que éstas sean idénticas a sí mismas.
Vale, basta ya de formalidades. En este punto el lector está pensando, ¡muy bien, yo echo gasolina en el coche y éste camina! La energía debe "estar almacenada" en la gasolina y pasar de alguna manera a través del mecanismo del motor para convertirse en movimiento. ¡Hablamos de nuevo de los legos! ¿Dónde están los legos en la gasolina? Si hemos aprendido algo de la historia de la madre dedicada, los legos no están ahí. De hecho, al final, el movimiento es consecuencia de que se produce una reacción química --la explosión-- cuyo resultado energético sólo sabemos describir diciendo que con la nueva recombinación de elementos químicos producida, el sistema es más estable porque las nuevas moléculas tienen niveles de energía más bajos que las antiguas. Es decir, volvemos a utilizar el concepto para explicar lo que creíamos podría entenderse de otra manera.
Pero no desistamos. Sigamos buscando los legos. La última fuente de energía de todo lo que sucede en la Tierra es el Sol. El Sol es una estrella que obtiene su energía por reacciones termonucleares --volvemos de nuevo al concepto en sí, como en las reacciones químicas-- que están originalmente iniciadas y mantenidas por el empuje de la gravedad que tiende a hacer colapsar a una estrella como el Sol.
Nuestra última fuente de energía es la gravedad. La gravedad es una fuerza bastante curiosa. Cuando una estrella colapsa, pasa de tener más energía de gravedad a tener menos energía asociada a la gravedad. Esa energía puede ser transferida a la materia de la estrella que se calienta. ¿De dónde procede la energía asociada a la gravedad? ¿Dónde están los legos? En el origen del universo, el Big Bang, es el sitio donde buscar. Pero no hace falta ir hasta allí de momento. Si la energía se conserva y el universo es todo lo que hay, la energía que contenga hoy todo el universo debe ser igual a la que contenía entonces: a la que generó el Big Bang.
Busquemos los legos en nuestro universo. Recordemos que el universo está en expansión. ¿Cuánta energía tiene el universo? El universo en el que vivimos resulta ser extremadamente indistinguible de un universo plano, es decir, un universo cuya curvatura es cero, lo que significa que si encendiésemos dos láseres absolutamente paralelos en una región lejana a cualquier influencia gravitatoria local, éstos continuarían paralelos indefinidamente. En esas condiciones, si calculamos la energía cinética de la expansión y sumamos la contribución de la gravedad el total es cero. Pero tenemos que tener mucho cuidado con el procedimiento. La Relatividad General que describe la dinámica de un universo en expansión no dice que la suma de las energía no es cosa tan sencilla. Nadie de hecho ha encontrado todos los términos identificables que sumados nos de la energía total del universo. De hecho, cuando intentamos hacerlos nos salen cosas como que podemos extraer energía gratuita de la expansión del universo. Debe haber algo equivocado en todo esto. El niño que juega con nosotros nos esconde los legos por todo el universo.
Los intentos de calcular la energía total del universo continúan aún hoy en día. Parece que las líneas de trabajo actualmente apuntan que en casi cualquier modelo de universo compatible con lo que observamos, la energía total podría ser efectivamente cero. ¡No hay legos! De confirmarse, ese valor nos sugiere cómo podía surgir el universo sin necesidad de que hubiesen energía presente, lo que la gente denomina por ahí la nada. ¿Cómo podría eso suceder?
En 1973 el físico Edward Tyron propuso que todo es resultado de una fluctuación cuántica de vacío. Edward Tyron sin embargo utilizó el
principio de incertidumbre de Heisenberg. Pero si bien el principio es perfectamente válido, cuando se utiliza para la energía hay que tener mucho cuidado. Por ello, posteriormente se crearon modelos algo más elaborados que consisten básicamente en la transición entre el vacío y un universo en expansión. Digamos entre un vacío de energía cero y un universo en expansión con energía también cero, es más probable tener lo segundo, aunque ambos estado no contengan energía. La nada podría ser así físicamente inestable.
No espero que en este punto el lector entienda mejor el concepto de energía, aunque creo que el recorrido al que nos lleva la pregunta ha sido interesante y puede que hayamos aprendido algo nuevo. Bienvenido a la física. De eso trata.
Para profundizar tenemos una serie de referencias que pondré en orden de complejidad creciente:
*
Workshop on energy for k-6 teachers
* Ask the astronomer.
What is energy?
* Physics word.
What does energy really mean?
* Feynman, R.P.
El caracter de la ley Física. Capítulos 3 y 4.
*
ROBERT B. LEIGHTON-RICHARD P. FEYNMAN FISICA - VOLUMEN I - MECANICA, RADIACIÓN Y CALOR cap.4.
* John Baez. 2000
The Time-Energy Uncertainty Relation
* John Baez. 2002
Noether's Theorem in a Nutshell
*
La creación del universo
*
Modelos simples de creación
* Michael Weiss and John Baez.
Is Energy Conserved in General Relativity?. Physics FAQ
* Harrison, Edward. 1995
Mining Energy in an Expanding Universe
* V. Faraoni, F.I. Cooperstock
On the total energy of open Friedmann-Robertson-Walker universes
2007-08-13 01:24 | Fisica |
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Comentarios
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| De: BioMaxi |
Fecha: 2007-08-13 14:55 |
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Me gusta el final, eso de que el universo es más probable que la nada. ¿El Big Bang sería el gasto de entropía por pasar de un estado a otro?
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2
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| De: Pedro J. |
Fecha: 2007-08-13 16:43 |
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No realmente. El punto de partida de nuestro universo observable es de equilibrio térmico perfecto -salvo pequeñas inperfecciones debida a fluctuaciones cuánticas--, con lo que la entropía debía ser la máxima posible.
Lo que llamamos Big Bang podría ser --aunque nadie lo sabe hasta ese punto--simplemente una esfera vacía del orden de la longitud de Planck que se expande de manera ultrarápida debido a que el vacío no está en su estado fundamental de energía --lo que denomina un falso vacío.. y empieza a decaer a un estado energético menor. En ese proceso, como sucede cuando un átomo decae radiativamente, se produce radiación y partículas elementales y se genera gran cantidad de entropía que puede crecer debido a que la tremenda expansión aumenta el volumen del universo. Los detalles de esa historia nadie los conoce exactamente. De hecho nadie tiene un modelo preciso de como se produjeron realmente las partículas subatómicas.
Y mucha gente disentiría en que el estado inicial fuese de máxima entropía, aunque claramente durante la nucleosíntesis --1 segundo después-- lo era.
En fin, tema complicado para hacer afirmaciones robustas.
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4
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| De: Gabriel |
Fecha: 2008-07-03 02:11 |
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¡Hola!
Hay una forma de entender la energía como los grados de libertad que tiene un ente (puede moverse, vibrar...) De todas formas es algo intuitivo.
¡Muy buen blog por cierto!
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