Debido a la equivalencia energía-masa, se puede decir que cualquier objeto con masa tiene una cantidad correspondiente de energía.
Entonces, en un objeto de 5 kg hay 450 000 000 000 julios.
Un julio, según tengo entendido, es la capacidad de hacer trabajo o aplicar fuerza, también conocida como energía.
Pero me cuesta entender dónde se almacena exactamente la energía potencial en masa.
Puedo conceptualizar el ejemplo clásico de una pelota en una plataforma en el aire que representa el potencial gravitacional, porque si se quita la plataforma, la pelota cae.
Pero no entiendo cómo se podría medir o definir la fuerza a nivel atómico.
¿Es una función de los vectores de fuerza que aplican las fuerzas fundamentales a todas las partículas del sistema?
Por ejemplo, si no fuera por la fuerza nuclear fuerte, los electrones chocarían contra el núcleo porque existe una fuerza electromagnética de atracción entre los protones y los electrones. Entonces, ¿el vector de fuerza del electrón que es atraído hacia el núcleo cuenta como energía potencial que tiene un átomo?
Pero estoy luchando por entender dónde exactamente se almacena la energía potencial en masa.
Es en gran parte en la energía de enlace de los protones y neutrones en la materia. Esto representa la gran mayoría de la masa restante de los nucleones. Sin embargo, las partículas fundamentales también tienen una masa en reposo no despreciable. Esto es cierto para los quarks que forman los nucleones y también para los electrones. Son pequeños en comparación con la masa total, pero del orden aproximado de 0,1 o 1%.
Además, el propio núcleo presenta un ajuste significativo en este número, debido a las diferencias de energía relativa de varios átomos. Los elementos livianos liberan energía al formar átomos más grandes (fusión) y los átomos muy pesados liberan energía al dividirse en otros más pequeños (fisión). Todos estos afectan la "masa" total como comúnmente nos referimos a ella.
La materia es extraordinariamente estable. ¡Incluso los enlaces químicos que nos rodean en su mayoría no cambian, de lo contrario nunca comprarías nada en la tienda! Debido a esta propiedad arbitraria (algunos podrían decir "antrópica") del universo, tenemos una configuración de partículas muy bien definida con la que podemos hacer referencia a la "masa en reposo", que es fácilmente medible por varios métodos.
Puedo conceptualizar el ejemplo clásico de una pelota en una plataforma en el aire que representa el potencial gravitacional, porque si se quita la plataforma, la pelota cae.
Debes saber que la transición es despreciable. Si la pelota cae, la energía se convierte en energía térmica, por lo que los extraterrestres no medirían un cambio en la masa de la Tierra debido a este proceso, incluso si tuvieran las medidas absurdamente precisas para hacerlo. Con el tiempo, la energía térmica se irradia hacia el espacio.
La radiación térmica de Júpiter se debe, en gran parte, al colapso gravitacional. Otra parte importante proviene de la absorción de la luz del sol. La Tierra está mucho más cerca del sol, por lo que la mayor parte de la energía dinámica aquí proviene de la energía solar. Un planeta gaseoso rebelde sin una estrella cercana solo tendrá una temperatura debido al lento proceso de liberación de energía gravitacional, la descomposición atómica y la temperatura increíblemente baja del espacio.
Pero no entiendo cómo se podría medir o definir la fuerza a nivel atómico.
¿Es una función de los vectores de fuerza que aplican las fuerzas fundamentales a todas las partículas del sistema?
Por ejemplo, si no fuera por la fuerza nuclear fuerte, los electrones chocarían contra el núcleo porque existe una fuerza electromagnética de atracción entre los protones y los electrones. Entonces, ¿el vector de fuerza del electrón que es atraído hacia el núcleo cuenta como energía potencial que tiene un átomo?
Hasta este punto, no has dicho nada sobre la fuerza. Te está distrayendo aquí.
El potencial es más importante. En el caso hipotético de la energía gravitacional, la distancia de separación se asigna (1 a 1) al potencial gravitacional. El potencial gravitacional multiplicado por la masa es igual a la energía, de la misma manera que el potencial eléctrico multiplicado por la carga es igual a la energía. Esa es la utilidad del concepto de "potencial". El potencial (en el ejemplo gravitatorio) es fuerza x distancia, lo que podría ayudarte a disponerte con respecto a la fuerza.
El vector de fuerza es en su mayoría irrelevante para el ejemplo que elija y para el que estoy hablando. Se podría decir que la fuerza x la distancia es mayormente igual a la masa en reposo. Esto se debe a que 1) la masa en reposo es principalmente energía de enlace y 2) el potencial es fuerza por distancia. Pero se complica con los quarks.
De hecho, he hecho todo lo posible por evitar hablar de quarks, porque se confunden con la conservación de la carga de color. Para empezar , eso hace que sea difícil definir de qué es una combinación un protón , ¡porque no puedes simplemente tomar sus quarks constituyentes y aislarlos! Eso es complicado. Sin embargo, el concepto de masa en reposo aún se puede comunicar a los principiantes de manera obvia. El universo tiene partículas fundamentales, para las cuales se incluyen los quarks y los electrones. Estos tienen masa en reposo debido a las excitaciones de campo, que se describen en detalle en la teoría cuántica de campos. Sin embargo, el resto de la masa de la materia atómica se debe principalmente a la energía de enlace protón/neutrón.
Entonces, en un objeto de 5 kg hay 450 000 000 000 julios.
Oh, déjame volver a responder esto. Actualmente no podemos convertir esta masa en energía. Pero en el sentido cósmico, no hay energía ni masa, solo materia-energía.
En teoría, los pequeños agujeros negros podrían ser una planta de energía al ser alimentados con átomos e irradiar radiación de Hawking. Dependiendo de los parámetros específicos, esta radiación podría ser en su mayoría fotones sin masa. Los fotones aún transportan energía, pero tienen 0 masa en reposo. Mediante este proceso, podríamos (teóricamente) convertir la materia atómica en partículas sin masa en reposo. Todo esto podría (teóricamente) usarse para un trabajo útil.
Esto no es ni remotamente relevante para el nivel actual de desarrollo de la civilización de la Tierra porque crear un agujero negro es difícil, pero creo que es instructivo.