En realidad, se trata de una cuestión más compleja de lo que podría pensarse, porque la distinción entre masa y energía desaparece cuando se empieza a hablar de partículas pequeñas.
¿Qué es exactamente la masa? Existen dos definiciones comunes:
- La cantidad que determina la resistencia de un objeto a un cambio de movimiento, la $m$ en $\sum F = ma$
- La cantidad que determina la respuesta de un objeto a un campo gravitatorio, la $m$ en $F_g = mg$ (o equivalentemente, en $F_g = GMm/r^2$ )
La cuestión es que, en realidad, la energía satisface ambas definiciones. Un objeto que tenga más energía -en cualquiera de sus formas- será más difícil de acelerar, y también responderá con más fuerza a un campo gravitatorio determinado. Así que técnicamente al calcular el valor de $m$ para conectar a $\sum F = ma$ o $F_g = mg$ o cualquier otra fórmula que implique masa, usted do hay que tener en cuenta la energía potencial química, la energía térmica, la energía de enlace gravitatorio y muchas otras formas de energía. En este sentido, resulta que la "masa" de la que hablamos en las reacciones químicas y nucleares no es más que una palabra para designar la energía total de un objeto (bueno, dividida por un factor constante: $m_\text{eff} = E/c^2$ ).
En relatividad especial, física de partículas elementales y teoría cuántica de campos, la masa tiene una definición completamente distinta. Pero eso no es relevante aquí.
Si masa es sólo otra palabra para energía, ¿por qué hablamos de ella? Bueno, para empezar, la gente se acostumbró a utilizar la palabra "masa" antes de que se conocieran todas sus sutilezas ;-) Pero en serio: si nos fijamos en las distintas formas de energía que existen, nos daremos cuenta de que calcular cuánta energía tiene realmente un objeto puede ser muy difícil. Por ejemplo, consideremos un compuesto químico $\mathrm{CO}_2$ por ejemplo. No se puede calcular la energía de un $\mathrm{CO}_2$ También hay que tener en cuenta la energía necesaria para crear el enlace químico, la energía térmica almacenada en los modos vibracionales de la molécula o las excitaciones nucleares de los átomos, e incluso los ligeros ajustes de la estructura molecular debidos al entorno.
Para la mayoría de las aplicaciones, sin embargo, se pueden ignorar con seguridad todas esas contribuciones de energía extra porque son extremadamente pequeñas comparadas con las energías de los átomos. Por ejemplo, la energía de los enlaces químicos del dióxido de carbono es de un diez mil millones de la energía total de la molécula. Aunque la suma de las energías de los átomos no permita obtener la energía exacta de la molécula, a menudo se aproxima lo suficiente. Cuando utilizamos el término "masa", a menudo significa que estamos trabajando en un ámbito en el que esas pequeñas correcciones energéticas no importan, por lo que la suma de las masas de las partes se aproxima lo suficiente a la masa del conjunto.
Obviamente, que las energías "extra" importen o no depende del tipo de proceso que se esté tratando y, en concreto, de qué energías se ven realmente afectadas por el proceso. En las reacciones químicas, los únicos cambios de energía que se producen realmente son los debidos a la ruptura y formación de enlaces químicos, que como he dicho son una contribución minúscula a la energía total de las partículas implicadas. Pero, por otro lado, consideremos un acelerador de partículas como el LHC, que hace colisionar protones entre sí. En el proceso, los "enlaces" cromodinámicos entre los quarks dentro de los protones se rompen, y los quarks se recombinan para formar partículas diferentes. En cierto sentido, esto es como una reacción química en la que los quarks desempeñan el papel de los átomos y los protones (y otras partículas) son los compuestos, pero en este caso la energía implicada en los enlaces (con esto me refiero a la energía cinética de los gluones, no a lo que normalmente se denomina "energía de enlace") es totalmente medio de la energía del sistema completo (los protones). En otras palabras, aproximadamente la mitad de lo que normalmente consideramos la "masa" del protón procede en realidad de las interacciones entre los quarks, y no de los quarks en sí. Por tanto, cuando los protones "reaccionan" entre sí, se puede decir que la masa (del protón) se ha convertido en energía, aunque si nos fijamos bien, esa "masa" no era realmente masa.
Las reacciones nucleares se sitúan en un punto intermedio entre las reacciones químicas y las reacciones de las partículas elementales. En un núcleo atómico, la energía de enlace representa entre el 0,1% y el 1% de la energía total del núcleo. Esto es mucho menos que con la fuerza de color en el protón, pero sigue siendo suficiente como para que deba contarse como una contribución a la masa del núcleo. Por eso decimos que la masa se convierte en energía en las reacciones nucleares: la "masa" que se convierte es en realidad energía de enlace, pero esta energía es suficiente para que, al considerar el núcleo como una partícula, haya que tener en cuenta la energía de enlace para obtener la masa correcta. No ocurre lo mismo con las reacciones químicas; podemos ignorar la energía de enlace al calcular las masas, por lo que decimos que las reacciones químicas no convierten masa en energía.
