2005, 100 años de la Teoría Especial de la Relatividad
E=mc2
La masa y la energía son equivalentes, están relacionadas por la velocidad de la luz.
La energía es una forma del movimiento, el movimiento es una propiedad de la materia.
En el proceso de trabajo energético, la materia se transforma en distintas formas de energía.
Las materias primas son los energéticos, su transformación produce energía eléctrica.
La energía se conserva, no existe movimiento sin materia.
En septiembre de 1905, Einstein reportó una de las
más importantes consecuencias de su Teoría Especial de la
Relatividad. “El principio de la relatividad junto con las ecuaciones de
Maxwell demandan que la masa es una medida directa de la energía
contenida en los cuerpos”, escribió.
En uno de los tres
manuscritos que se conservan, está la famosa ecuación que describe
la relación entre la energía (E), la masa (m) y la velocidad de la
luz (c), derivada de la teoría especial de la relatividad. La
ecuación fue publicada en el artículo de 1905 con una
notación distinta. En 1907, Einstein generalizó el concepto de
equivalencia de masa y energía.
Consecuencias de la teoría de la Relatividad Especial
La teoría de Einstein es distinta
de la de Newton pero, la primera, contiene a la segunda. Cuando esto ocurre, la
teoría de Einstein se reduce al límite Newtoniano. La diferencia
más importante es respecto al tiempo y el espacio. Para Newton se trata
de conceptos absolutos, para Einstein son conceptos relativos que dependen de la
velocidad de los objetos y el límite es la velocidad de la
luz.
Para Newton, un segundo de tiempo es el mismo en cualquier parte del
universo; un segundo en la Tierra es el mismo que en la Luna, un reloj en la
Tierra es el mismo que en Marte, por ejemplo, o en cualquier parte. Para
Einstein, el tiempo se comporta diferente. Mientras más rápido se
mueve un cuerpo más lento transcurre el tiempo. Un reloj en la Tierra no
es, necesariamente, el mismo en todas partes del universo. La gravedad
también detiene a los relojes y el paso del tiempo es más lento.
Es decir, el tiempo absoluto NO existe.
Respecto a la distancia, para
Newton un metro tiene la misma longitud en cualquier parte del universo. Para
Einstein, un metro se hace más corto mientras más rápido se
mueve un objeto. Esto es, la distancia absoluta NO existe.
Si el espacio
y el tiempo se distorsionan, entonces todo lo que puede medir con metros y
relojes también se distorsiona, incluyendo todas las formas de Masa y
Energía.
El segundo postulado de la Teoría Especial de la
Relatividad indica que nada se puede mover más rápido que la
velocidad de la luz, éste es el límite. Conforme la velocidad de
una partícula se aproxima a la velocidad de la luz, su masa se
incrementa. Si se agrega energía a una partícula en movimiento
relativista su masa se incrementa sin un aumento significativo en la velocidad.
Esto quiere decir, de acuerdo a Einstein, que la masa de un cuerpo es una medida
de su contenido de energía.
Pero es imposible acelerar una
partícula a la velocidad e la luz. Einstein predijo que, a la velocidad
de la luz, la masa de una partícula podría volverse infinita. Esto
es, se requeriría una cantidad infinita de energía para acelerar
una partícula a la velocidad de la luz, lo cual no es
posible.
Pero, ¿cómo es que un fotón, un rayo de luz,
puede viajar a la velocidad de la luz? La respuesta es porque los fotones tienen
una masa en reposo igual a cero lo que significa que toda la
energía de un fotón es cinética.
En el reposo
también existe cierta cantidad de energía correspondiente a la
masa (en reposo). De manera que, la energía cinética de los
cuerpos es la diferencia entre la energía contenida en el cuerpo menos la
energía del reposo y, la energía relativista es función de
la energía en reposo más la cantidad de movimiento del cuerpo. Los
fotones poseen energía y momento, es decir, cantidad de
movimiento.
La diferencia de la teoría de Einstein con las leyes
del movimiento de Newton está determinada por la velocidad. La masa de un
cuerpo es relativa pues es función de la velocidad. Cuando la velocidad
de los cuerpos se aproxima a la velocidad de la luz, la masa (relativista) y la
energía (cinética) se vuelven cantidades muy grandes, tienden a
infinito, mientras que la masa (en reposo) es pequeña, tiende a
cero.
Equivalencia de masa y energía
Estas ideas llevaron a Einstein a proponer una
ecuación, la más famosa de todas en la ciencia:
Esto quiere decir que la energía (E) es igual a la masa
(m) multiplicada por la velocidad de la luz (c) al cuadrado. La
ecuación significa que la energía y la masa son cantidades
equivalentes: la masa se transforma en energía, y viceversa, son
cantidades directamente proporcionales.
La ecuación está
relacionada por la velocidad de la luz (c), la cual representa un número
muy grande, casi 300 mil kilómetros por segundo. Eso hace que al
multiplicar la masa (m) por la velocidad de la luz (c) elevada al cuadrado, se
obtenga como energía una cantidad (E) muy grande.
Por eso es que,
una cantidad muy pequeña de masa puede ser convertida en una cantidad
enorme de energía. Por ejemplo, 1 gramo de algo se transforma, al
multiplicarse por c2, en un 9 multiplicado por 1020, es
decir un 9 seguido de 20 ceros, como energía expresada en ergs/segundo
ó 9x1013 joules/segundo, ambas unidades de
energía.
Conversión de materia en energía y viceversa
En 1933, en Paris, Irene y
Frédérick Joliot-Curie fotografiaron la conversión de
materia en energía. Ambos observaron que un quanto de luz, que
transporta energía, cambiaba transformándose en dos
partículas que curvaban su trayectoria alejándose una de otra.
Este efecto ocurre en la naturaleza en ciertas condiciones.
Cuando dos
quantos, p.e., dos radiaciones gamma de suficiente energía
chocan dan lugar a un par de partículas cargadas, es decir, dos
electrones uno con carga negativa (electrón) y otro con carga positiva
(positrón). De la misma manera, la interacción de dos pares de
partículas electrón-positrón produce un rayo gamma. El
electrón es la más fundamental de las llamadas partículas
elementales y, el positrón, es su antipartícula. Esta forma de
antimateria existe en la naturaleza pero en pequeñas cantidades. Se dice
que existe una antisimetría entre materia y antimateria.
El
universo actual es un universo dominado por materia, antes estuvo dominado por
radiación y hubo un tiempo en que hubo igualdad de materia y
radiación. La materia que existe en el universo en mayor
proporción se conoce como materia oscura, cuya naturaleza se
desconoce, y solamente una mínima parte, apenas el 0.5% del total, es
materia visible en forma de galaxias o estrellas.
Sin embargo, la
creación de positrones existe en la naturaleza mediante medios
artificiales; uno de sus usos es en la medicina nuclear, por ejemplo, la
tomografía por emisión de positrones para tratar algunos problemas
del cerebro. El fenómeno de creación de pares
positrón-electrón se puede apreciar a gran escala en los chorros
(jets) energéticos producidos por grandes estructuras y en las
explosiones de supernova.
En Cambridge, Inglaterra, fue observado el
proceso inverso, la conversión de masa en energía. J. Cockcroft y
E.T.S. Walton observaron que un átomo podía fisionarse y la suma
de las masas de los fragmentos era menor que la masa total del átomo
inicial, la diferencia de masa se había convertido en energía. El
descubrimiento de la fisión del uranio mostró con toda
claridad cómo la materia se transforma en energía.
Originalmente los núcleos de los átomos pesados, como el
uranio, están unidos a través de la llamada fuerza nuclear
fuerte. Cuando uno de estos átomos se rompe, vía una
reacción nuclear, se producen los fragmentos de fisión, mismos que
transportan energía cinética. Al ocurrir la reacción
nuclear se libera una gran cantidad de energía correspondiente a la
diferencia (o defecto) de masa. Esto se debe a que, originalmente, las
partículas nucleares están unidas por una energía de amarre
que se libera cuando se rompe al átomo.
El descubrimiento de la
fisión del uranio, en los 1930s, condujo al desarrollo de la bomba
atómica y su posterior explosión. Cuando 1 átomo de
Uranio-325, solo un átomo, se fracciona (fisiona) pierde casi un 0.1 por
ciento de su masa. Esa pequeñísima cantidad de masa, sin embargo,
es suficiente para producir la enorme cantidad de energía de una bomba
atómica.
La fisión es, también, el principio para la
utilización del Uranio-235, Uranio-238 y Plutonio-329 como combustible en
los reactores nucleares de potencia para producir energía
eléctrica. Es decir, este principio se utilizó inicialmente con
propósitos político-militares pero también tiene
aplicaciones pacíficas importantes. Tal es el caso de la
generación de energía en centrales nucleoeléctricas.
Proceso de trabajo energético
Los procesos de trabajo están
determinados por las materias primas. En el sector energético, las
materias primas son los llamados energéticos primarios. Estas materias
son la fuente primaria de la energía e incluyen a los energéticos
conocidos como convencionales, es decir, al petróleo (en sus formas de
combustóleo y diesel), el gas natural y el carbón; y a los
energéticos alternos, entre los que están el uranio y el plutonio.
En el caso de la fusión termonuclear, el energético
primario es el hidrógeno (pesado) en forma de deuterio contenido
en el agua del mar. Además, se tiene a otros materiales
energéticos como el agua, el vapor terrestre, el viento, el
hidrógeno y la radiación solar. Se dice que estas materias tienen
densidad energética, el uranio es de alta densidad pero el gas es de
baja, esto es, producen mucha o poca energía por unidad de masa o
volumen.
El proceso de trabajo energético se caracteriza por la
sucesiva transformación de la materia en energía y de ésta
en diversas formas de energía. La industria petrolera es esencialmente
extractiva y de transformación, la industria eléctrica es de
transformación. Las que se transforman son las materias primas, primarias
y auxiliares. Varios de los nuevos productos son, a su vez, nuevas materias
primas para diversos procesos industriales.
En el caso de la industria
petrolera, además de los hidrocarburos se obtienen múltiples
productos petrolíferos y petroquímicos obtenidos en sucesivas
transformaciones de las materias primas. En el caso de la industria
eléctrica, la electricidad producida se convierte asimismo en materia
prima auxiliar de numerosos procesos de trabajo industriales,
tecnológicos y de servicios. Cuando se utiliza para alumbrar, la
energía eléctrica se transforma en luz o energía
radiante.
La principal fase del proceso de trabajo eléctrico es la
generación de energía eléctrica, conocida también
como energía secundaria porque se obtiene a partir de energéticos
primarios. En una central eléctrica de potencia, existen sistemas de
suministro de vapor, convencionales o nucleares. En el primer caso, se
conocen como calderas, en el segundo, como reactores nucleares. Pero ambos
dispositivos y/o sistemas tienen el mismo propósito: producir vapor de
cierta calidad en presión, temperatura y humedad, a partir de procesos
químicos o nucleares. El aspecto clave es la extracción del calor
y su eficiencia.
En breve descripción, la energía
(térmica) de los hidrocarburos o el carbón, o la energía
(nuclear) producida a partir del uranio, se transforman en la energía
(calorífica) del vapor. Este vapor se utiliza para mover las turbinas de
potencia, de manera que la energía calorífica se transforma en
energía (mecánica). Las turbinas accionan a un generador de
potencia y, la energía mecánica se transforma en energía
(eléctrica). La energía eléctrica se produce como
consecuencia del movimiento de los electrones en un intenso campo
electromagnético. Los electrones son onda-partícula que se mueven
a velocidades relativistas.
La fase de generación es similar en el
caso de centrales térmicas (a base de hidrocarburos, geotermia,
carbón) y en el caso de centrales nucleares (a base de uranio y/o
plutonio). En el caso de centrales hidroeléctricas y
eoloeléctricas la situación es ligeramente diferente porque la
materia primaria es el agua y el viento que se aprovechan a través de
procesos mecánicos. Sin embargo, tales materias se utilizan para la
generación de sucesivas formas de energía que conducen a la
producción de energía eléctrica.
El proceso de
trabajo No es nadamás la generación de energía. Esta es la
principal pero se trata de un conjunto de fases integradas. La
energía eléctrica producida requiere ser transformada en
condiciones apropiadas de continuidad, frecuencia y voltaje para ser aprovechada
en sus múltiples usos. Después de producida la energía
eléctrica, se siguen las demás fases del proceso de trabajo que
incluyen la transmisión, control, distribución y
comercialización. El conjunto del proceso de trabajo incluye a la
planeación, organización y métodos, realización de
investigación científica y desarrollo tecnológico,
gestión de la calidad y administración en las actividades de
operación, mantenimiento, transporte y servicios.
La energía y los trabajadores
El descubrimiento de Einstein, propuesto en 1905 y
desarrollado en 1907, sobre la equivalencia de la masa y la energía
derivado como una de las consecuencias de la Teoría Especial de la
Relatividad tiene alto interés para los trabajadores de la
energía.
El principio de la transformación de materia en
energía y viceversa no se reduce al ámbito nuclear, sea militar o
pacífico, es más amplio. El concepto forma parte del principio de
conservación de la materia y del principio de conservación de la
energía. Estas no se crean ni se destruyen solo se
transforman.
Hay también connotaciones filosóficas
importantes, como las desarrolladas por Lenin, respecto a la energía como
una forma del movimiento, el movimiento como una propiedad de la materia, y el
postulado de que NO existe movimiento SIN materia.
La observancia
práctica de la equivalencia de materia y energía, y su
transformación, está en el proceso de trabajo energético
del cual somos partícipes. Es por ello, que el principio de equivalencia
de materia y energía, propuesto por Einstein, es del mayor interés
de los electricistas, petroleros y nucleares que marchamos bajo las banderas del
Frente de Trabajadores de la Energía (FTE) de México.
Referencias
Bahen D. 2003,
Special Theory of Relativity, UK.
Einstein A. 1905, On the Electrodynamics of Moving Bodies,
Annalen der Physik 17, 140.
Einstein A. 1905, Does the Inertia of a Body Depend upon its Energy Content?
Annalen der Physik 18, 172.
Lenin V.I. 1908,
Materialismo y Empiriocriticismo, Obras Completas, V.14, Eds. Allende.
Marx C. 1980,
El Capital, V.1., T.1., Siglo XXI eds.
Albert Einstein en Berlín, 1930
Comisión de Energia