¿Qué impide que la masa se convierta en energía?

Inevitablemente, esta será una respuesta insatisfactoria porque su pregunta es mucho más complicada de lo que (probablemente) cree. Intentaré dar una respuesta en términos generales, pero hay que tener en cuenta que esto es una pálida sombra de la física que describe esta área.

De todos modos, Einstein fue el primero en darse cuenta de que la energía y la masa eran equivalentes, y sin duda has oído hablar de su famosa ecuación.$E = mc^2$. En estos días escribimos esto como:

dónde$p$es el impulso y$m$es la masa restante. Sin embargo, la relatividad no explica cómo se pueden intercambiar materia y energía. Eso tuvo que esperar varias décadas para el desarrollo de la teoría cuántica de campos (QFT, por sus siglas en inglés).

Si nunca se ha encontrado con QFT, le parecerá una forma muy extraña de ver el mundo. Estamos acostumbrados a pensar en partículas como los electrones como objetos, muy parecidos a los objetos macroscópicos, excepto que son más pequeños y borrosos. Sin embargo, en QFT hay un campo de electrones que impregna todo el universo, y lo que consideramos un electrón es una excitación en este campo. De manera similar, hay un campo de fotones, y los fotones son excitaciones en el campo de fotones. De hecho todas las partículas elementales son excitaciones en su correspondiente campo cuántico.

QFT explica la conversión de materia-energía porque puede, por ejemplo, agregar energía al campo de electrones para excitarlo y así crear un electrón. Alternativamente, una excitación en el campo de electrones, es decir, un electrón, puede desaparecer transfiriendo energía a otra cosa. Entonces, por ejemplo, en el Gran Colisionador de Hadrones, dos quarks se encuentran con enormes energías cinéticas y pueden transferir parte de esta energía a excitaciones de varios campos cuánticos para producir una lluvia de partículas.

Pero esto no puede suceder de la manera que quieras. QFT nos da las ecuaciones para describir cómo la energía cinética de las partículas puede excitar campos cuánticos y, por lo tanto, crear materia. Es por eso que, para volver a su pregunta, la masa no puede seguir convirtiéndose en energía. Las excitaciones de campo cuántico solo ocurren de formas específicas descritas por la teoría de campo cuántico.

Y eso creo que es todo lo que se puede decir a este nivel.

En primer lugar, la masa es energía. No hay distinción en absoluto. No toda la "masa" de un átomo proviene de protones/neutrones/electrones, por ejemplo, hay una parte que proviene de la energía potencial; esta parte en realidad domina sobre la masa de los constituyentes.

Sin embargo, podemos reformular su pregunta para que sea "¿Qué impide que los nucleones se conviertan en otras formas de energía?"

La pregunta es, de hecho, a la inversa: ¿por qué la masa querría cambiar? La mayoría de los cambios en la física requieren un ímpetu; una diferencia de potencial o algo similar. No hay nada de eso a priori aquí.

Además, para estas transiciones de masa a energía, generalmente hay estados de transición de alta energía, como en las reacciones químicas:

Para llegar al producto final, se debe suministrar suficiente energía para alcanzar y superar el estado de transición. Un ejemplo de esto es la fusión nuclear: para llegar al estado final, primero hay que acercar los núcleos lo suficiente, lo que implica un aporte de energía considerable.

Los nucleones por sí solos tienen vidas medias muy largas, por lo que si bien pueden descomponerse en otras partículas y energía, esto no se ve. La mayoría de las demás partículas, sin embargo, tienen vidas medias cortas y nada les impide descomponerse rápidamente en "energía".

Entiendo que la energía y la masa pueden cambiar de un lado a otro según Einstein. es fluido; puede ir de uno a otro. Entonces, ¿qué impide que la masa se convierta simplemente en energía? ¿Hay alguna fuerza que mantenga unida una partícula subatómica? ¿Qué mantiene la masa en su estado?

OK, aquí está la versión del experimentador:

El famoso general$E=mc^2$La conexión de energía a masa cuando se analiza más a fondo muestra que para las partículas elementales existe una$m$que es constante, llamada masa en reposo: la masa cuando la partícula no se mueve.

Hemos observado y medido esta equivalencia de energía de masa innumerables veces. Hemos organizado las partículas elementales según su masa en reposo en un modelo muy elegante que describe los datos, llamado modelo estándar. . Todas las masas que observamos, desde los núcleos hasta las estrellas, están compuestas de estas partículas elementales en orden jerárquico, dando masas cada vez más grandes cuanto mayor sea el conjunto, que se basan en las ecuaciones de energía anteriores.

Los nucleones, compuestos por quarks y gluones, los núcleos, compuestos por nucleones (protones y neutrones), los átomos, compuestos por nucleones y electrones, todos son estables (los nucleones pueden tener isótopos inestables) y constituyen la base de la estabilidad macroscópica de las masas. observamos en el mundo macroscópico descrito por la física clásica.

¿Qué impide que el átomo se colapse en una bola neutra de masa/energía? ¿Qué da los intrincados patrones espectroscópicos de los espectros atómicos? La teoría de la cuantización surgió para explicar estos datos y se convirtió en mecánica cuántica, en contraste con la mecánica clásica. Un resultado básico del modelado teórico es que solo pueden existir estados de energía cuantizados y los electrones no pueden caer al núcleo porque este no es un estado de energía permitido.

La cuantización explica la tabla periódica de los elementos: los protones y los neutrones no colapsan en una bola de energía debido a los niveles energéticos estables que permite la cuantización.

Además, las partículas elementales se caracterizan únicamente por los números cuánticos. Se ha observado experimentalmente que muchos de estos se conservan en interacciones. Por lo tanto, existen reglas prohibidas adicionales para la transformación entre energía y masa a partir de leyes de conservación y leyes de conservación de números cuánticos.

La estabilidad de la interacción entre masa y energía que observamos en el mundo macroscópico es el resultado de un equilibrio entre las leyes de conservación y la conservación del momento de la energía en los sistemas microscópicos cuantificados .

Sin fuerza, solo reglas de conservación y estados permitidos. Los quarks en el protón no pueden desaparecer/colapsar entre sí debido a la conservación del número cuántico, llevan el número bariónico 1/3 o 2/3 y nunca pueden perderlo dentro del protón, el número bariónico total debe permanecer en 1.

No es que la masa y la energía "puedan cambiar de un lado a otro". Son formas literalmente equivalentes de hablar de lo mismo (asumiendo que la partícula no se mueve). Si algo tiene masa entonces también como energía y viceversa. De hecho, las partículas a menudo tienen su masa dada en unidades de energía.

Su pregunta es algo así como preguntar "si algo tiene velocidad, ¿qué evita que se convierta en velocidad?"

La forma en que lo entiendo es que toda la masa proviene de la fuerza que une los quarks, ya que el espacio vacío no está realmente vacío y, en el caso de un protón, la partícula está formada por tres quarks, dos arriba y uno abajo, en realidad usan energía para crear un espacio vacío entre ellos buscando el "equilibrio" y dado que la energía que contiene estas partículas no va a ninguna parte, se traduce en lo que llamamos masa y mirando la materia de esta manera explica cómo la masa y la energía son solo una cosa que se mira desde dos perspectivas, añadiendo a eso el peso (realmente pequeño) de los quarks que se crea por la "interacción" del campo de higgs con ellos y se puede mirar como si los quarks fueran bolas metálicas y el campo fuera de miel lo que no hace que las bolas se detengan pero tampoco van a toda velocidad... espero haber ayudado :)

La respuesta simple es una palabra... ¡entropía! Hay dos tipos de entropía que debemos considerar, 1) universal y 2) local.

Universal: justo después del Big Bang, hubo una "sobreabundancia" de energía, por lo tanto, la materia y la energía eran "fácilmente" intercambiables. La energía se convirtió en materia y la materia en energía. A medida que el volumen del universo se expandió, se desarrollaron secciones locales donde la cantidad de energía disponible no era suficiente para volver a convertir la materia en energía, por lo que la materia comenzó a existir y poblar el universo hasta que se agotó la mayor parte de la energía del universo.

Local: debido a la gravedad, con el tiempo, hay suficiente materia local que se fusiona y genera suficiente energía para volver a convertir la materia en energía (estrellas), pero debido a que el volumen del universo continúa expandiéndose, habrá un momento en que la materia no será capaz de agregar lo suficiente para poder repetir esta prosa.

En resumen, se necesita energía para convertir la energía en materia, y se necesita energía para convertir la materia en energía. Si no se proporciona la energía necesaria, la materia no se transformará "espontáneamente" en energía.