En condiciones ordinarias, la ganancia de energ\u00eda en forma de masa es tan increiblemente peque\u00f1a que ser\u00eda imposible medirla. Fue en el siglo XX (al observar part\u00edculas subat\u00f3micas que, en los grandes aceleradores de part\u00edculas, se mov\u00edan a velocidades de decenas de miles de kil\u00f3metros por segundo) cuando se empezaron a encontrar aumentos de masa que eran suficientemente grandes para poder detectarlos. Un cuerpo que se moviera a unos 260.000 Km por segundo respecto a nosotros mostrar\u00eda una masa dos veces mayor que cuando estaba en reposo (siempre respecto a nosotros).<\/p>\n
<\/p>\n
La energ\u00eda que se comunica a un cuerpo libre puede integrarse en \u00e9l de dos maneras distintas:<\/p>\n
- \n
- En forma de velocidad, con lo cual aumenta la rapidez del movimiento.<\/li>\n
- En forma de masa, con lo cual se hace “m\u00e1s pesado”.<\/li>\n<\/ol>\n
La divisi\u00f3n entre estas dos formas de ganancia de energ\u00eda, tal como la medimos nosotros, depende en primer lugar de la velocidad del cuerpo (medida, una vez m\u00e1s, por nosotros).<\/p>\n
Si el cuerpo se mueve a velocidades normales, pr\u00e1cticamente toda la energ\u00eda se incorpora a \u00e9l en forma de velocidad: se mover\u00e1 m\u00e1s aprisa sin cambiar su masa.<\/p>\n
A medida que aumenta la velocidad del cuerpo (suponiendo que se le suministra energ\u00eda de manera constante) es cada vez menor la energ\u00eda que se convierte en velocidad y m\u00e1s la que se transforma en masa. Observamos que, aunque el cuerpo siga movi\u00e9ndose cada vez m\u00e1s r\u00e1pido, el ritmo de aumento de velocidad decrece. Como contrapartida, notamos que gana m\u00e1s masa a un ritmo ligeramente mayor.<\/p>\n
Al aumentar a\u00fan m\u00e1s la velocidad y acercarse a los 299.792’458 Km\/s, que es la velocidad de la luz en el vac\u00edo, casi toda la energ\u00eda a\u00f1adida entra en forma de masa. Es decir, la velocidad del cuerpo aumenta muy lentamente, pero la masa es la que sube a pasos agigantados. En el momento en que se alcanza la velocidad de la luz, toda la energ\u00eda a\u00f1adida se traduce en masa.<\/p>\n
El cuerpo no puede sobrepasar la velocidad de la luz porque para conseguirlo hay que comunicarle energ\u00eda adicional, y a la velocidad de la luz toda esa energ\u00eda, por mucha que sea, se convertir\u00e1 en nueva masa, con lo cual la velocidad no aumentar\u00eda ni un \u00e1pice.<\/p>\n
Todo esto no es pura teor\u00eda, sino que tal como ha sido comprobado, es la realidad de los hechos.<\/p>\n
La velocidad de la luz es la velocidad l\u00edmite en el universo. Cualquier cosa que intente sobrepasarla adquirir\u00eda una masa infinita.<\/p>\n
La velocidad de la luz, por tanto, es un l\u00edmite en nuestro universo; no se puede superar. Siendo esto as\u00ed, el hombre tiene planteado un gran reto, no ser\u00e1 posible el viaje a las estrellas si no buscamos la manera de esquivar este l\u00edmite de la naturaleza, ya que las distancias que nos separan de otros sistemas solares son tan enormes que, viajando a velocidades por debajo de la velocidad de la luz, ser\u00eda casi imposible alcanzar el destino deseado.<\/p>\n
Los cient\u00edficos, f\u00edsicos experimentales, tanto en el CERN como en el FERMILAB, aceleradores de part\u00edculas donde se estudian y los componentes de la materia haciendo que haces de protones<\/a> o de muones<\/a>, por ejemplo, a velocidades cercanas a la de la luz choquen entre s\u00ed para que se desintegren y dejen al descubierto sus contenidos de part\u00edculas a\u00fan m\u00e1s elementales.\u00a0 Pues bien, a estas velocidades relativistas cercanas a c<\/em> (la velocidad de la luz), las part\u00edculas aumentan sus masas; sin embargo, nunca han logrado sobrepasar el l\u00edmite de c<\/em>, la velocidad m\u00e1xima permitida en nuestro universo.<\/p>\n
Es preciso ampliar un poco m\u00e1s las explicaciones anteriores que no dejan sentadas todas las cuestiones que el asunto plantea, y quedan algunas dudas que incitan a formular nuevas preguntas, como por ejemplo: \u00bfpor qu\u00e9 se convierte la energ\u00eda en masa y no en velocidad?, o \u00bfpor qu\u00e9 se propaga la luz a 299.793 Km\/s y no a otra velocidad?<\/p>\n
La \u00fanica respuesta que podemos dar hoy es que as\u00ed, es el universo que nos acoge y las leyes naturales que lo rigen, donde estamos sometidos a unas fuerzas y unas constantes universales de las que la velocidad de la luz en el vacio es una muestra.<\/p>\n
A velocidades grandes cercanas a la de la luz (velocidades relativistas) no s\u00f3lo aumenta la masa del objeto que viaja, sino que disminuye tambi\u00e9n su longitud en la misma direcci\u00f3n del movimiento (contracci\u00f3n de Lorentz) y en dicho objeto y sus ocupantes – si es una nave – se retrasa al paso del tiempo, o dicho de otra manera, el tiempo all\u00ed transcurre m\u00e1s despacio.<\/p>\n
A menudo se oye decir que las part\u00edculas no pueden moverse “m\u00e1s deprisa que la luz” y que la “velocidad de la luz” es el l\u00edmite \u00faltimo de velocidad.<\/p>\n
Pero decir esto es decir las cosas a medias, porque la luz viaja a velocidades diferentes dependiendo del medio en el que se mueve. Donde m\u00e1s deprisa se mueve la luz es en el vac\u00edo: all\u00ed lo hace a 299.792’458 Km\/s. Este s\u00ed es el l\u00edmite \u00faltimo de velocidades que podemos encontrar en nuestro universo.<\/p>\n
Tenemos el ejemplo del fot\u00f3n<\/a>, la part\u00edcula mediadora de la fuerza electromagn\u00e9tica<\/a>, un bos\u00f3n<\/a> sin masa que recorre el espacio a esa velocidad antes citada.<\/p>\n
Einstein<\/a> en su teor\u00eda de la relatividad<\/a> especial de 1.905, nos dec\u00eda que en nuestro universo nada puede ir m\u00e1s r\u00e1pido que la luz. Tambi\u00e9n nos dej\u00f3 dicho que masa y energ\u00eda don dos aspectos de una misma cosa. Que la materia se puede convertir en energ\u00eda (ah\u00ed est\u00e1 la bomba at\u00f3mica como demostraci\u00f3n) pero, \u00bfes posible hacer lo contrario y convertir energ\u00eda en materia?<\/p>\n
S\u00ed ser\u00eda posible convertir energ\u00eda en materia, pero hacerlo en grandes cantidades resulta poco pr\u00e1ctico. Veamos por qu\u00e9.<\/p>\n
Seg\u00fan la teor\u00eda de Einstein<\/a>, tenemos que e = mc2<\/sup>, donde e<\/em> representa la energ\u00eda, medida en ergios, m<\/em> representa la masa, medida en gramos, y c<\/em> es la velocidad de la luz en cent\u00edmetros por segundo.<\/p>\n
La luz se propaga en el vac\u00edo a una velocidad aproximada a los 30.000 millones (3\u00d71010<\/sup>) de cent\u00edmetros por segundo. La cantidad c2<\/sup><\/em> representa el producto c<\/em>\u00d7c<\/em>, es decir:<\/p>\n
3\u00d71010<\/sup> \u00d7 3\u00d71010<\/sup>, \u00f3 9\u00d71020<\/sup>.<\/p>\n
Por tanto, c2<\/sup><\/em> es igual a 900.000.000.000.000.000.000.<\/p>\n
As\u00ed pues, una masa de un gramo puede convertirse, en teor\u00eda, en 9\u00d71020<\/sup> ergios de energ\u00eda.<\/p>\n
El ergio es una unida muy peque\u00f1a de energ\u00eda que equivale a: “Unidad de trabajo o energ\u00eda utilizado en el sistema c.g.s<\/a> y act\u00faa definida como trabajo realizado por una fuerza de 1 dina cuando act\u00faa a lo largo de una distancia de 1 cm: 1 ergio = 10-7<\/sup> julios”. La kilocalor\u00eda, de nombre quiz\u00e1 mucho m\u00e1s conocido, es igual a unos 42.000 millones de ergios. Un gramo de materia convertido en energ\u00eda dar\u00eda 2’2\u00d71010 <\/sup>(22 millones) de kilocalor\u00edas.\u00a0 Una persona puede sobrevivir c\u00f3modamente con 2.500 kilocalor\u00edas al d\u00eda, obtenidas de los alimentos ingeridos. Con la energ\u00eda que representa un solo gramo de materia tendr\u00edamos reservas para unos 24.110 a\u00f1os, que no es poco para la vida de un hombre.<\/p>\n
O dig\u00e1moslo de otro modo: si fuese posible convertir en energ\u00eda el\u00e9ctrica la energ\u00eda representada por un solo gramo de materia, bastar\u00eda para tener luciendo continuamente una bombilla de 100 vatios durante unos 28.200 a\u00f1os.<\/p>\n
O bien: la energ\u00eda que representa un solo gramo de materia equivale a la que se obtendr\u00eda de quemar unos 32 millones de litros de gasolina.<\/p>\n
Nada tiene de extra\u00f1o, por tanto, que las bombas nucleares, donde se convierten en energ\u00edas cantidades apreciables de materia, desaten tanta destrucci\u00f3n.<\/p>\n
La conversi\u00f3n opera en ambos sentidos. La materia se puede convertir en energ\u00eda y la energ\u00eda en materia. Esto \u00faltimo puede hacerse en cualquier momento en el laboratorio, donde continuamente convierten part\u00edculas energ\u00e9ticas (como fotones<\/a> de rayos gamma<\/a>) en 1 electr\u00f3n<\/a> y 1 positr\u00f3n sin ninguna dificultad. Con ello se invierte el proceso, convirti\u00e9ndose la energ\u00eda en materia.<\/p>\n
Pero estamos hablando de una transformaci\u00f3n de \u00ednfimas cantidades de masa casi despreciable. \u00bfPero podremos utilizar el mismo principio para conseguir cantidades mayores de materia a partir de energ\u00eda?<\/p>\n
Bueno, si un gramo de materia puede convertirse en una cantidad de energ\u00eda igual a la que produce la combusti\u00f3n de 32 millones de litros de gasolina, entonces har\u00e1 falta toda esa energ\u00eda para fabricar un solo gramo de materia, lo que nos lleva al convencimiento de que no ser\u00eda muy rentable invertir el proceso.<\/p>\n
Recuerdo en este punto c\u00f3mo los viajeros espaciales de la Nave Enterprise, cuando tienen hambre, le piden a una dispensadora de alimentos lo que desean comer o beber, y la m\u00e1quina, a partir de la energ\u00eda, le facilita todo aquello que necesiten. La serie Star Trek, unas de las mejores que han sido realizadas, reflejan algunas licencias que como esta de la m\u00e1quina dispensadora, no explican de d\u00f3nde precede la fuente de energ\u00eda que utilizan y, que seg\u00fan lo que se ve, tendr\u00eda que ser inagotable.<\/p>\n
Antes de que llegara Einstein<\/a>, los f\u00edsicos del siglo XIX cre\u00edan que la materia y la energ\u00eda eran dos cosas completamente diferentes. Materia es todo aquello que ocupaba un espacio y que pose\u00eda masa. Y al tener masa tambi\u00e9n ten\u00eda inercia y respond\u00eda al campo gravitatorio. La energ\u00eda en cambio, no ocupaba espacio ni ten\u00eda masa, pero pod\u00eda efectuar trabajo. Adem\u00e1s, se pensaba que la materia consist\u00eda en part\u00edculas (\u00e1tomos), mientras que la energ\u00eda, se compon\u00eda de ondas.<\/p>\n
Por otra parte, esos mismos f\u00edsicos del XIX cre\u00edan que ni la materia ni la energ\u00eda, cada una por su parte, pod\u00eda ser creada ni destruida. La cantidad de materia del universo era constante, igual que la cantidad total de energ\u00eda.\u00a0 Hab\u00eda pues una ley de conservaci\u00f3n de la energ\u00eda y de conservaci\u00f3n de la materia.<\/p>\n
Albert Einstein<\/a>, en 1.905, les demostr\u00f3 que la masa es una forma muy concentrada de energ\u00eda. La masa pod\u00eda convertirse en energ\u00eda y viceversa.\u00a0 Lo \u00fanico que hab\u00eda que tener en cuenta era la ley de conservaci\u00f3n de la energ\u00eda. En ella iba incluida la materia.<\/p>\n
Hacia los a\u00f1os veinte se vio adem\u00e1s que no se pod\u00eda hablar de part\u00edculas y ondas como si fuesen dos cosas diferentes. Lo que se consideraban part\u00edculas actuaban en ciertos aspectos como si de ondas se tratara, y lo que normalmente se consideraban ondas actuaban en ciertos aspectos como part\u00edculas.<\/p>\n
As\u00ed podemos hablar de ondas del electr\u00f3n<\/a>, por ejemplo; y tambi\u00e9n de part\u00edculas de luz, o fotones<\/a>. Pero existe una diferencia entre la una y el otro, mientras que la part\u00edcula que denominamos electr\u00f3n<\/a>, posee una “masa en reposo” mayor a cero, los fotones<\/a> por el contrario, no tienen masa alguna, por ese motivo, estas part\u00edculas se mueven siempre a una velocidad de 299.792’458 metros por segundo a trav\u00e9s del vac\u00edo, no debemos olvidar que un fot\u00f3n<\/a> es una part\u00edcula de luz.<\/p>\n
La luz est\u00e1 compuesta por fotones<\/a> y precisamente ya se ha dicho que es la luz la que tiene el record de velocidad del universo al correr a unos 300.000 Km\/s, exactamente 299.792’458 Km\/s.<\/p>\n
\u00bfY los neutrinos<\/a>?<\/p>\n
Los neutrinos<\/a> se forman en ciertas reacciones nucleares y ning\u00fan f\u00edsico at\u00f3mico ha sido hasta ahora capaz de medir su masa. Es probable que los neutrinos<\/a>, como los fotones<\/a>, tengan una masa en reposo nula, aunque en realidad el neutrino<\/a> nunca podr\u00e1 estar en reposo y, como el fot\u00f3n<\/a>, siempre se est\u00e1 moviendo a 299.792’458 Km\/s y adquieren esa velocidad desde el instante en que se forma.<\/p>\n
Pero los neutrinos<\/a> no son fotones<\/a>, porque ambos tienen propiedades muy distintas. Los fotones<\/a> interaccionan f\u00e1cilmente con las part\u00edculas de materia y son retardados y absorbidos al pasar por la materia. Los neutrinos<\/a>, por el contrario, apenas interaccionan con las part\u00edculas de materia y pueden atravesar un espesor de a\u00f1os luz de plomo sin verse afectados.<\/p>\n
Parece claro, por tanto, que si los neutrinos<\/a> tienen una masa en reposo nula, no son materia. Por otro lado, hace falta energ\u00eda para formarlos, y al alejarse se llevan algo de ella consigo, de modo que son una forma de energ\u00eda.<\/p>\n
Sin embargo, atraviesan cualquier espesor de materia sin interaccionar apenas, de modo que pr\u00e1cticamente no efect\u00faan trabajo. Lo cual les distingue de cualquier otra forma de energ\u00eda. En su momento se habl\u00f3 de que los neutrinos<\/a> pod\u00edan ser la energ\u00eda oscura que tanto fascina a todos los f\u00edsicos, astrof\u00edsicos y astr\u00f3nomos, sin embargo, al no haber detectado la masa de los neutrinos<\/a>, se desech\u00f3 la idea.<\/p>\n
El neutrino<\/a> es de la familia de los leptones<\/a> y existe en tres formas. Una asociada al electr\u00f3n<\/a> y se conoce como neutrino<\/a> electr\u00f3nico (Ve<\/sub>), otra al mu\u00f3n<\/a> y es el neutrino<\/a> m\u00faonico (V\u00b5<\/sub>) y por \u00faltimo el que est\u00e1 asociado con la part\u00edcula tau<\/a>, que es el neutrino<\/a> tau\u00f3nico (Vt<\/sub>). Cada forma tiene su propia antipart\u00edcula.<\/p>\n
El neutrino<\/a> fue postulado en 1.931 para explicar la energ\u00eda “perdida” en la desintegraci\u00f3n beta<\/a>. Fue identificado de forma tentativa en 1.953, y definitivamente en 1.956, dando la raz\u00f3n a Wolfgang Pauli que presinti\u00f3 su existencia.<\/p>\n
Los neutrinos<\/a> no tienen carga y como dijimos antes, tampoco tienen masa; son pura energ\u00eda que viaja siempre por el espacio a la velocidad de la luz. En algunas teor\u00edas de gran unificaci\u00f3n se predice que los neutrinos<\/a> tienen masa no nula, pero no hay evidencia concluyente para eso.<\/p>\n
Cuando Pauli propuso su existencia para justificar la energ\u00eda perdida en la desintegraci\u00f3n beta<\/a>, Enrico Fermi<\/a> lo bautiz\u00f3 con el nombre de neutrino<\/a>.\u00a0 La ley de conservaci\u00f3n de la energ\u00eda proh\u00edbe que \u00e9sta se pierda, y en la desintegraci\u00f3n beta<\/a>, que es un tipo de interacci\u00f3n d\u00e9bil en la que un n\u00facleo at\u00f3mico inestable se transforma en un n\u00facleo de la misma masa at\u00f3mica pero de distinto n\u00famero at\u00f3mico, hace que en el proceso un neutr\u00f3n<\/a> se convierta en un prot\u00f3n<\/a> con la emisi\u00f3n de un electr\u00f3n<\/a>, o de un prot\u00f3n<\/a> en un neutr\u00f3n<\/a> con la emisi\u00f3n de un positr\u00f3n. Pero la cuenta no sal\u00eda, all\u00ed faltaba algo, no se completaba en la transformaci\u00f3n la energ\u00eda original, as\u00ed que Pauli a\u00f1adi\u00f3 en la primera un antineutrino electr\u00f3nico y la segunda la complet\u00f3 con un neutrino<\/a> electr\u00f3nico, de la manera siguiente:<\/p>\n
Neutr\u00f3n desintegrado: n \u2192 p + e–<\/sup> + ve<\/sub><\/span><\/em><\/p>\n
Prot\u00f3n desintegrado: p \u2192 n + e+<\/sup> + ve<\/sub><\/em><\/p>\n
Un ejemplo de esto es la desintegraci\u00f3n del carbono-14.<\/p>\n
As\u00ed fue como se dio a conocer al mundo la existencia de neutrinos<\/a>.<\/p>\n
El mencionar la desintegraci\u00f3n me ha tra\u00eddo a la memoria otros materiales que tambi\u00e9n se desintegran de manera natural y que son materiales f\u00e9rtiles, o que sin serlo, se pueden transformar en otros que s\u00ed lo son.<\/p>\n
Al hablar de material f\u00e9rtil me estoy refiriendo a n\u00faclidos que pueden absorber neutrones<\/a> para formar material fisible. El uranio-238, por ejemplo, absorbe un neutr\u00f3n<\/a> para formar uranio-239, que se desintegra en plutonio-239. Este es el tipo de conversi\u00f3n que la imaginaci\u00f3n del hombre hace que ocurra en un reactor reproductor.<\/p>\n
Lo explicar\u00e9 con m\u00e1s detalles:<\/p>\n
El uranio-235 es un combustible pr\u00e1ctico, es decir, los neutrones<\/a> lentos son capaces de hacer que el uranio-235 se fisione, o lo que es lo mismo, se rompan sus \u00e1tomos en dos, produciendo neutrones<\/a> lentos, que a su vez inducen otras fisiones at\u00f3micas. El uranio-233 y el plutonio-239 son tambi\u00e9n combustibles nucleares pr\u00e1cticos por las mismas razones.<\/p>\n
Desgraciadamente, el uranio-233 y el plutonio-239 no existen en estado natural sino en trazas m\u00ednimas, y el uranio-235, aunque existe en cantidades apreciables, no deja de ser raro. En cualquier muestra de uranio natural, s\u00f3lo siete de cada mil \u00e1tomos son de uranio-235, el resto es uranio-238.<\/p>\n
El uranio-238, la variedad com\u00fan de uranio, no es un combustible nuclear pr\u00e1ctico. As\u00ed que, el uranio que m\u00e1s abunda en la naturaleza no sirve como combustible nuclear. Podemos conseguir que se fisione, pero s\u00f3lo con neutrones<\/a> r\u00e1pidos. Los \u00e1tomos de uranio-238 que se rompen en dos, producen neutrones<\/a> lentos, que no bastan para producir o inducir nuevas fisiones.\u00a0 El uranio-238 cabr\u00eda compararlo a la madera h\u00fameda: es posible hacer que arda, pero acabar\u00e1 por apagarse.<\/p>\n
Supongamos, sin embargo, que se separa el uranio-235 del uranio-238 (trabajo m\u00e1s bien dif\u00edcil) y que se utiliza aquel para hacer funcionar un reactor nuclear. Los \u00e1tomos de uranio-235 que forman el combustible del reactor se fisionan y esparcen mir\u00edadas de neutrones<\/a> lentos en todas direcciones. Si el reactor est\u00e1 rodeado por una capa de uranio ordinario (que en su mayor parte es uranio-238), los neutrones<\/a> que van a parar all\u00ed son absorbidos por el uranio-238 y, aunque no pueden hacer que el uranio-238 se fisione, s\u00ed pueden provocar otros cambios que finalmente, producir\u00e1n plutonio-239. Separando este plutonio-239 del uranio (tarea muy f\u00e1cil), puede ser utilizado como combustible nuclear practico para la fisi\u00f3n.<\/p>\n
De esta manera, el reactor nuclear genera nuevo combustible a partir de un material (uranio-238) que no lo es. Este es el motivo de que al reactor nuclear que hace posible la transformaci\u00f3n se le llame “reactor generador”.<\/p>\n
Un reactor generador bien dise\u00f1ado puede producir m\u00e1s plutonio-239 que el uranio-234 consumido para ello. De este modo, las reservas totales de uranio de la Tierra (y no s\u00f3lo las de uranio-235) se convierten en potenciales de combustible nuclear.<\/p>\n
El torio, tal como se da en la naturaleza, consiste todo \u00e9l en torio-232, que al igual que el uranio-238, no es un combustible nuclear pr\u00e1ctico, porque requiere neutrones<\/a> r\u00e1pidos para fisionarse. Pero si se coloca torio-232 alrededor de un reactor nuclear, sus \u00e1tomos absorber\u00e1n los neutrones<\/a> y, sin experimentar fisi\u00f3n alguna, se convertir\u00e1n en \u00e1tomos de uranio-233. Como el uranio-233 es un combustible pr\u00e1ctico que se puede separar f\u00e1cilmente del torio, el resultado es otra variedad del reactor generador, que convierte las reservas de torio en un combustible nuclear en potencia.<\/p>\n
La cantidad total de uranio y de torio que hay en la Tierra es unas 800 veces mayor que las reservas de uranio-235, lo que significa que el buen uso de los reactores generadores podr\u00eda multiplicar por 800 la oferta potencia de energ\u00eda extra\u00edda de plantas de fisi\u00f3n nuclear.<\/p>\n
En este punto, sin dejar de elogiar la inteligencia del hombre que ha sabido encontrar la manera de transformar una materia inservible en otra practica, hay que decir que la energ\u00eda de fisi\u00f3n nuclear genera tambi\u00e9n muchos problemas. Como he dicho en otro de mis trabajos, el futuro pr\u00f3ximo es la fusi\u00f3n, y, seguramente, alguna clase de energ\u00eda que ahora ni sabemos que existe, ya que, \u00bfquien sabe lo que nos traer\u00e1 el LHC? \u00a1Por ejemplo!<\/p>\n
Agradezco al maestro Asimov muchas de las ideas aqu\u00ed vertidas<\/p>\n
emilio silvera<\/em><\/p>\n
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