Preguntas sobre la energía al nivel cuántico más fundamental.
Primero tenemos que definir la energía. La energía es un concepto abstracto.
En su nivel más fundamental “La energía es una cantidad que se conserva bajo una transformación”.
El teorema de Noether establece: si un sistema tiene una propiedad de simetría continua, entonces hay cantidades correspondientes cuyos valores se conservan.
(Emily Noether, una matemática alemana, demostró esto y este teorema matemático lleva su nombre).
Uno de los principios fundamentales de la física es la “simetría en el tiempo”. En términos físicos, esto dice: Si observo y mido una cantidad de dos sistemas idénticos en diferentes momentos, las mediciones dan los mismos resultados -> el sistema es simétrico en el tiempo. Ahora, según el teorema de Noether, debe haber una cantidad que se conserve para la simetría en el tiempo. Esa misma cantidad es energía.
La relatividad general y especial modifica nuestra comprensión del tiempo. Aún así, la simetría del tiempo se mantiene en el marco de la relatividad también.
Eso también es cierto en la mecánica cuántica. Lo que encuentra es que el término matemático para Energía puede tomar diferentes formas dependiendo del marco en el que se define.
En el marco relativista (que rige la física de alta energía), el término energía es equivalente a masa. Cualquier partícula tiene una masa. Por ejemplo, un electrón tiene una masa de 0,51 MeV. Esta es la llamada energía en reposo (masa en reposo). A medida que una partícula se acelera en ganancias de masa relativista debido a su aumento de velocidad (energía cinética).
Anteriormente dije que cada partícula tiene una masa (por lo tanto, energía en reposo) con el ejemplo del electrón. Usted pregunta acerca de la teoría de cuerdas: a un nivel muy simplificado, la teoría de cuerdas intenta “profundizar” en el concepto de masa. Entre muchas preguntas puede responder una teoría de cuerdas: puede demostrar la “naturaleza de la masa en reposo”. ¿Cómo es que, digamos un Tau, tiene una masa en reposo de 1.776 GeV mientras que un electrón tiene una masa en reposo de 0.51 MeV? La teoría de cuerdas sugiere que dicha masa en reposo puede interpretarse como una vibración de cierta frecuencia en un espacio unidimensional. (Existen múltiples formas de teoría de cuerdas, algunas se basan en hojas vibratorias en lugar de cuerdas). La masa debe entenderse como la frecuencia vibratoria de la cuerda. Diferentes frecuencias se relacionan con diferentes masas (o Energía).
En cuanto a la masa oscura: la masa oscura es un concepto desarrollado en cosmología. Se sugiere la existencia de masa oscura porque los cálculos detallados de la expansión del universo basados en la relatividad general sugieren que debe haber energía (o masa) que no podemos observar (por lo tanto, oscura). ¿Cómo puede ser que no podamos observarlo? Bueno, una forma de observar una masa es por su espectro, por los fotones emitidos. Imagine una masa muy fría, cercana a cero Kelvin. Tal masa emitiría muy pocos fotones. Es oscuro. La otra forma en que detectamos la masa es midiendo el impacto de su fuerza gravitacional. Y esa es la forma en que la masa oscura se ha convertido en una hipótesis.
Anexo: Lea el comentario, pero Héctor para una corrección sobre el tema de la energía / materia oscura.
- ¿Cómo se relacionan la electrónica y la mecánica cuántica?
- ¿Las leyes de la mecánica cuántica destruyen las viejas leyes físicas?
- ¿Puedo decir que la singularidad es donde no hay movimiento?
- ¿Cómo encontrar el número de orbitales en un átomo? Además, ¿cuántos electrones hay en esos orbitales?
- Mecánica cuántica: si un valor propio en el universo se vuelve definitivo, ¿eso significa que todos los valores propios en ese 'universo propio' son definitivos, al menos por un instante?
