¿De qué manera puede la energía transformarse en materia y viceversa? La aniquilación es una forma de transformar la materia en energía. La fisión es otra (¿qué sucede con las dos partes al dividir un átomo?)
¿Son las fluctuaciones cuánticas una forma de transformar la energía en materia?
¿De qué formas puede la energía transformarse en materia y viceversa?
La energía y la materia están conectadas según la relatividad especial y esto ha sido demostrado experimentalmente. Es la famosa fórmula:
$E=mc^2$, donde $m$ es la masa relativista y $c$ la velocidad de la luz. o
$E^2=m_0^2c^4 +p^2c^2$, para una partícula con masa en reposo $m_0$ moviéndose con momento $p$.
Las reglas de transformación siguen soluciones Mecánico Cuánticas de ecuaciones de problemas cinemáticos y de potencial.
La aniquilación es una forma de transformar materia en energía.
Sí
La fisión es otra (¿qué sucede con sus dos partes al dividir un átomo?)
En la descripción mecanocuántica de los núcleos, estos están representados por pozos potenciales con niveles de energía, algunos llenos. El número de bariónes (protones y neutrones) ligados en este pozo de potencial caracterizan al núcleo. Un núcleo A que es golpeado por un neutrón (por ejemplo) se convierte en un núcleo B con más bariónes absorbiéndolo en un nivel de energía de este pozo potencial. En la fisión este núcleo de mayor energía es inestable y cae a un estado de menor energía, liberando parte de su masa en energía según las fórmulas relativistas, y dividiéndose en núcleos más pequeños y neutrones libres que siguen sosteniendo la fisión en otro núcleo original. Generalmente, una forma de fisión ocurre si un núcleo es inestable.
También está la fusión, dos núcleos de deuterio adhiriéndose en un nivel de energía inferior y liberando energía. La curva de energía de enlace muestra si los nucleones pueden fusionarse o fisionarse y liberar, como energía, parte de su masa.
¿Son las fluctuaciones cuánticas una forma de transformar energía en materia?
No, las fluctuaciones cuánticas son virtuales. Si te refieres a la tunelización, sí.
¡Gracias por tu respuesta! Estaba pensando en dividir cosas, ¿es teóricamente posible dividir un neutrón, electrón y otras partículas más pequeñas que un átomo? ¿Qué pasaría? ¿Incluso más energía?
En este momento no se pueden dividir las partículas elementales, y creo que siempre será cierto. Un neutrón no es elemental, y se descompone en un protón, un electrón y un electrón_anti_neutrino, cediendo la diferencia que tiene en masa con el protón también como energía. Un protón, aunque no sea elemental porque está compuesto de quarks, puede desintegrarse en algunas teorías, pero no puede dividirse en el sentido de separar los quarks porque los quarks están fuertemente ligados, cuanto mayor sea la distancia de ellos desde el centro de masa del protón, más fuerte será. No conozco ninguna teoría principal que permita que los electrones sean compuestos.
Nota relacionada:
La fisión no es exactamente convertir materia en energía. Simplemente libera la energía de unión del núcleo. Esta energía de unión es parte de la masa medida del núcleo, pero si quieres separar "materia" y "energía" (lo cual no es realmente posible), entonces cuenta como energía. $\newcommand{\a}[3]{\mathrm{^{#1}_{#2}#3}}$ $$\a{235}{92}{U}+\a10n\to\a{236}{92}{U}^*\to\a{144}{56}{Ba}+\a{89}{36}{Kr}+3\a10n+|\Delta H|\approx177\:\rm{MeV}$$
Observa que inicialmente, tenemos 93 protones y 142 neutrones; y al final este número no cambia. Desde este punto de vista, donde las partículas cuentan como "masa", podemos decir que no se creó ni se destruyó masa, y la energía de unión nuclear fue liberada.
¿Por qué llamamos a esto una conversión de masa a energía si es simplemente una conversión de tipos de energía? Bueno, eso es porque la masa es energía.
De hecho, si "pesaras" $\a{235}{92}{U}+\a10n$, pesaría más que $\a{144}{56}{Ba}+\a{89}{36}{Kr}+3\a10n$. De hecho, $\a{235}{92}{U}$ pesa menos que $92\a11p+141\a10n$. Esto se debe a que la energía de unión del núcleo es energía "negativa", y por lo tanto "aniquila" algo de masa (ya que la masa es energía). Resulta que debido a esto, los productos de fisión son más ligeros que los reactivos, incluso si el número de nucleones es el mismo. Y esta pérdida de "masa" se convierte en energía.
Entonces en realidad, hay un poco de incertidumbre en el límite entre "energía" y "masa". Cualquier cosa con una densidad de energía tendrá masa adicional, y no podrás distinguir entre un cuerpo con masa $m$ y un cuerpo con masa $m-\frac{U}{c^2}$ y energía interna $U$.
No estoy del todo seguro del voto negativo. Tal vez Rohit tiene que escribir un poco más detallado, pero su ejemplo está exactamente en el espíritu del comentario de Ben Crowell, alrededor del cual he expandido mi respuesta. (+1 por cierto, Rohit, pero tal vez deberías escribir un poco más para explicar exactamente lo que quieres decir).
Además de las otras respuestas, en particular, la completa respuesta de Anna V, me gustaría capturar el comentario de Ben Crowell para la permanencia en esta discusión:
No hay nada especial acerca de las reacciones nucleares. Las reacciones químicas también resultan en un cambio de masa debido a la energía liberada. Simplemente que la escala de energía para las reacciones químicas es aproximadamente $10^6$ veces más pequeña. [Mis itálicas]
y te insto a pensar en la materia y la energía como estados diferentes de la misma cosa esencial. La gente aún se altera por la conversión de una en la otra, pero ahora la física y la cultura física han avanzado hasta tal punto que la palabra "materia" ha pasado claramente su fecha de vencimiento. Nosotros (los físicos) hemos mantenido la palabra "energía" para significar la cantidad que se conserva mediante el teorema de Noether aplicado a la invariancia temporal de las leyes físicas - y esta palabra abarca todo lo que podría considerarse "cosas", es decir toda la materia y energía en el antiguo uso - más precisamente: abarca cualquier cosa que contribuya al término $T_{0\,0}$ en el tensor de energía-momento relativista. Por ejemplo, podrías querer usar la palabra "materia" para cualquier cosa que tenga masa de reposo distinta de cero, pero ni siquiera esto funciona correctamente ya que mi explicación del experimento mental de luz en una caja muestra que la luz confinada tiene una masa de reposo.
Así que, con el riesgo de sonar demasiado coloquial para una discusión científica, simplemente pienso en la palabra "cosas" para referirme a cualquier cosa que contribuya al tensor de energía-momento de la manera descrita anteriormente, la palabra "energía" para cuantificar la cantidad de "cosas" y si necesitas más precisión que esto, entonces debes especificar la clase exacta de "cosas" en términos de los nombres precisos de partículas/campos cuánticos del modelo estándar y de los reactantes/productos químicos. Intentar dividir de otra manera "cosas" en materia y energía es buscar algo que ahora es una dicotomía completamente artificial, imprecisa y obsoleta.
¿De qué manera puede la energía transformarse en materia y viceversa?
Estoy seguro de que en la teoría de la relatividad especial no existe tal transformación. ¿Por qué?
La energía es una cantidad matemática abstracta que obedece la ley de conservación local.
La materia es algo básico de lo que está hecha el mundo. No es un concepto matemático. Se puede cuantificar un aspecto de ella, por ejemplo, introducir la masa inercial $m$. Eso ignora todas las otras cosas sobre la materia que conocemos, gran parte de la química y la física.
Obviamente, la cosa básica de la que está hecho el mundo no se convierte en cantidades matemáticas abstractas.
Hay una idea real detrás de esa afirmación citada, pero necesita ser expresada de manera diferente. La idea es la conclusión de Einstein de que la pérdida de energía $L$ de un cuerpo va acompañada de una disminución de la masa del cuerpo en $L/c^2$ (y viceversa).
Basándose en esta conclusión, él introdujo la fórmula
$$ E = mc^2 $$
como definición de la energía total del cuerpo en reposo. Cuando alguien dice "la masa puede convertirse en energía de radiación" en realidad significa "parte de la energía del cuerpo masivo asociada con la masa $m$ ha cambiado de forma y ubicación, de energía en el cuerpo a energía en el campo electromagnético".
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No hay nada especial acerca de las reacciones nucleares. Las reacciones químicas también resultan en un cambio de masa debido a la energía liberada. Simplemente que la escala de energía para las reacciones químicas es aproximadamente $10^6$ veces más pequeña.