La famosa fórmula E = mc ^ 2 [*] es la cantidad total de energía potencial de masa en reposo. La cantidad de energía que produce es la diferencia de energía entre la configuración inicial y la configuración final.
Lo que típicamente limita la cantidad de energía que se puede producir es un concepto abstracto llamado Leyes de Conservación. Las leyes de conservación son típicamente cantidades aproximadas que se conservan, lo que significa que la cantidad en algún momento inicial es aproximadamente igual a la cantidad en un momento posterior. Por ejemplo, una ley de conservación exacta es la conservación de la energía. Sin embargo, hay muchas leyes de conservación aproximadas que involucran la física nuclear y de partículas. Al ser aproximado, significa que no son exactamente ciertas, pero se conservan en la mayoría de las interacciones y eso significa que la tasa de cambio temporal de la cantidad es lenta.
Un ejemplo de una ley de conservación aproximada es la conservación separada de la cantidad de protones y la cantidad de neutrones en un sistema. Estas cantidades se conservan por separado en interacciones fuertes y electromagnéticas. Esto que en la descomposición del uranio, que libera energía, tiene lugar el siguiente proceso
[matemáticas] \ mathrm {~ ^ {238} _ {92} U} \ rightarrow \ mathrm {~ ^ {234} _ {90} Th} + {\ alpha} \ simeq \ mathrm {~ ^ {234} _ { 90} Th} + \ mathrm {~ ^ {4} _ {2} Él} [/ math]
Donde el número superior es la suma del número de protones y neutrones y el número inferior es el número de protones. Si observa, ambas cantidades se conservan.
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- Dado que solo somos capaces de ver objetos cuando la luz emitida / reflejada por esos objetos nos alcanza, ¿no es posible que todavía tengamos que ver las estrellas que estaban presentes antes de la Tierra? Además, ¿el universo tal como lo conocemos es solo una fracción de un espacio infinito que aún no se observa?
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La razón por la cual esta ley de conservación aproximada es importante es porque la mayor parte de la energía de la masa en reposo está ligada a las masas en reposo de protones y neutrones en los núcleos de los átomos. Entonces, si la naturaleza está limitada en cómo pueden reorganizar los átomos, limita la cantidad de energía que se puede liberar. Lo que realmente está sucediendo en las desintegraciones nucleares es que la energía potencial ligada a la energía potencial de la fuerza fuerte se está liberando y que acabas de reorganizar los protones y neutrones a tu alrededor. Esto significa que solo puede liberar unos pocos MeV de energía de 100 GeV de energía en masa en reposo, por lo que obtiene un 1% de eficiencia.
Ahora, mientras que el número de protones y el número de neutrones se conservan por separado en interacciones fuertes y electromagnéticas, las interacciones débiles violan esto y puede tener interacciones débiles que median las desintegraciones de neutrones
[matemáticas] \ mathrm {~ ^ {1} _ {0}} n \ rightarrow \ mathrm {~ ^ {1} _ {1}} p + \ mathrm {~ ^ {0} _ {0}} e + \ mathrm { ~ ^ {0} _ {0}} \ bar {\ nu} _e [/ math]
Si observa, se conserva el mismo número de protones y de neutrones (en la fila superior), pero el número de protones y neutrones no se conserva por separado. Por lo tanto, la interacción débil solo conserva lo que se conoce como número bariónico (la suma del número de protones y neutrones).
Esto significa que tiene más formas de extraer energía del resto de la energía de masa de los núcleos, pero dado que los protones y los neutrones son casi idénticos en masa, las interacciones débiles en realidad no abren nuevas formas cualitativas de liberar energía de masa en reposo.
La única forma de liberar más energía es abrir la energía atrapada en la masa en reposo de bariones (protones y neutrones) que constituyen aproximadamente el 99.9% de la masa de materia. Una forma de liberar más energía es usar antimateria que tenga un número negativo de barión:
[matemáticas] {} ^ {1} _ {1} p + {} ^ {- 1} _ {- 1} \ bar {p} \ rightarrow \ gamma \ gamma [/ math]
Por lo tanto, toda la energía puede liberarse en fotones, que pueden convertirse en calor u otras formas de energía.
A menos que tenga un tanque de antimateria (que puede producir en el reverso del proceso anterior, pero es muy costoso), debe violar el número de barión para obtener la energía de la masa en reposo del barión. Nunca hemos sido testigos de la violación del número de barión, pero sospechamos que esto ocurre por varias razones.
El primero es que existen procesos dentro de la interacción débil que violan el número de barión conocido como “esfalerones”. Estos procesos permiten que desaparezcan 3 bariones a la vez, aunque increíblemente lento, como 10 ^ 100 años lentamente para Helium-3.
En segundo lugar, observamos que hay más materia que antimateria y creemos que el Universo comenzó sin un número neto de bariones. Esto significa que el número de barión se produjo a través de algún proceso desconocido, que con frecuencia puede conducir a la desintegración nuclear del número de barión, aunque no necesariamente.
Finalmente, en las teorías que unifican las fuerzas fuertes, débiles y electromagnéticas, conocidas como Grandes Teorías Unificadas, a menudo hay procesos que violan el número de bariones (aunque no necesariamente). Uno de los procesos más interesantes se conoce como la desintegración de protones catalizada por un monopolo magnético (o el efecto Callan-Rubakov). Por lo general, los imanes vienen en pares de polos norte y sur; Sin embargo, es posible tener un Polo Norte sin un Polo Sur en las Grandes Teorías Unificadas. Estos nunca se han observado, pero es probable que existan, pero son increíblemente raros y podría ser que no exista uno solo dentro de nuestro Universo observable. Sin embargo, si tiene un monopolo magnético, puede “desenrollar” el número de barión, causando
[matemáticas] p + M \ rightarrow \ bar {e} + \ pi ^ 0 + M [/ matemáticas]
donde M es el monopolo. Este proceso solo ocurre en la vecindad del monopolo, pero esto desata el 99.9% de la energía de masa en reposo.
Si pudieras liberar la masa en reposo almacenada en masas bariónicas, esencialmente, todos los materiales podrían producir la misma energía y esa cantidad de energía sería enorme en comparación con cualquier cosa que hayamos visto hasta la fecha.
[*] en realidad es [matemáticas] E = \ frac {mc ^ 2} {\ sqrt {1 – \ frac {v ^ 2} {c ^ 2}}} [/ matemáticas] que coincide con su fórmula para v = 0.
Por lo general, la única forma de producir energía es aumentando la energía de unión por partícula nuclear. Esto libera la diferencia entre las dos energías de unión, (que se almacena esencialmente en la masa antes), al requerirle que use más energía para dividir el núcleo y obtener partículas libres. Es análogo a dejar caer algo en un campo gravitacional, donde la energía potencial se libera como energía cinética. (Es decir, aceleras) básicamente permitiéndote tomar prestada energía, ya que necesitarías la misma energía que obtienes para levantar el objeto caído. 