La energía tiene un significado muy particular, y en realidad definimos qué es:
La energía es simplemente un número que se conserva con el tiempo.
¡No es una sustancia! Si toma algo, digamos algunos átomos, por ejemplo, puede conectar las posiciones y velocidades de los átomos en una fórmula, y esa fórmula le dará un número.
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Ahora espere un momento para pasar, y luego conecte las nuevas posiciones y velocidades de los átomos en la misma fórmula, ¡y lo que encontrará es que obtiene exactamente el mismo número que antes!
De hecho, independientemente de lo que suceda con su colección de átomos (cayendo, evaporándose, explotando), este número llamado energía se mantendrá exactamente igual en todo momento, a pesar de que su sistema puede verse completamente diferente de lo que era al principio.
Más detalles:
Tal vez se pregunte por qué es posible calcular un número que siempre se mantiene igual para una colección de partículas. Sin ser demasiado técnico, la razón se debe a una prueba matemática conocida como el teorema de Noether. En términos generales, lo que dice este teorema es que para cada simetría que existe dentro de las leyes de la física, también existe una cantidad numérica única que se conserva con el tiempo.
Entonces, ¿a qué simetría corresponde la energía? Invarianza traslacional en el tiempo. Eso suena elegante, pero todo lo que significa es que si realiza un experimento hoy, y luego vuelve a hacer el mismo experimento mañana, obtendrá exactamente los mismos resultados para ambos experimentos. En otras palabras, no importa cuándo con el tiempo elija realizar su experimento; las leyes de la física se aplican de todos modos.
(También es de destacar que la cantidad numérica “momentum” surge porque no importa dónde realice su experimento, y la cantidad numérica “momentum angular” surge porque no importa con qué rotación realice su experimento).
Aún más detalles:
Si has entendido todo esto, entonces bien. Ahora llegamos a la parte que puede ser un poco confusa. Dije que la energía no es una sustancia, ¿verdad? Es solo un número. Bueno, lo curioso de este número es que actúa como una sustancia. Hablando en términos generales, puede asignar a cada punto en el espacio un valor numérico llamado “densidad de energía”. La densidad de energía simple describe cómo se “propaga” la energía por el espacio (más rigurosamente, cómo se asocia un número conservado con un volumen de espacio). Considere un agujero negro: habrá mucha energía localizada en una región muy pequeña del espacio, por lo tanto, la densidad de energía para cada punto en este volumen será muy alta.
Por qué esto importa es por la gravedad. La distribución de energía sobre el espacio es lo que hace que el espacio-tiempo se “deforme” y llamamos a este fenómeno de deformación “gravedad”. Más energía → más deformación. Y como saben, algo así como un planeta tiene mucha energía, por lo que genera mucha gravedad.
Un último detalle extraño:
Entonces la energía es solo un número conservado. Frio. Fin de la historia, ¿verdad?
Bueno, no del todo. En verdad, la energía solo se conserva hasta que se incluye la teoría de la relatividad general de Einstein en la mezcla, y luego ya no se conserva. Si lo se; es confuso. ¿No definimos la energía como un número conservado? Ciertamente lo hicimos, lo que significa que la energía ya no tiene un significado bien definido con la relatividad general. Y aunque todavía es posible encontrar cantidades conservadas distintas de la energía en la relatividad general, se les debe dar diferentes nombres, ya que se producen de diferentes maneras.
