E=mc²

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La ecuación de la Teoría de la relatividad E = mc² indica que la materia es simplemente otra forma de energía; concepto paradójico en física clásica (y en el sentido común), que, sin embargo, gracias a esta ecuación se pudo explicar fenómenos como la desintegración radiactiva.

Tabla de contenidos 1 Significado de la fórmula 2 Implicaciones 3 Orígenes y consecuencias 4 Aplicaciones de la ecuación 4.1 Utilizando la masa relativista 4.2 Utilizando la masa en reposo 5 Aproximación de baja energía 6 Ensayo de Einstein de 1905 7 Contribuciones de otros físicos 8 Biografía 9 Véase también 10 Fuentes 11 Enlaces externos

[editar] Significado de la fórmula

La fórmula establece la relación de proporcionalidad directa entre la energía (según la definición hamiltoniana) E con la masa m.

La fórmula también indica la relación cuantitativa entre masa y energía en cualquier proceso en que una se transforma en la otra, como en una explosión nuclear. La E puede tomarse como la energía liberada cuando una cierta cantidad de masa m es transformada, o como la energía absorbida para crear una cierta cantidad de masa m. En ambos casos, la energía liberada (absorbida) es una cantidad similar a la masa destruida (creada) multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (c).

[editar] Implicaciones

En el contexto de la teoría de la relatividad especial, la implicación es que la energía y la masa son equivalentes, y con esta ecuación, ahora la masa es considerada una forma de energía. En términos prácticos, esto condujo a la creación de la bomba atómica y otras aplicaciones. Es una de las ecuaciones más conocidas de todos los tiempos. Incluso aquellos que no saben qué significa pueden tener una idea del significado.

[editar] Orígenes y consecuencias

La ecuación se derivó de las observaciones que hizo Albert Einstein sobre la dependencia de la inercia de un cuerpo con su contenido energético. El resultado de dicha observación es que la masa de un cuerpo es en realidad una medida de su contenido energético. Para entender el significado de dicha relación se puede comparar una fuerza electromagnética con una fuerza gravitacional. En el electromagnetismo la energía se encuentra en campos (eléctricos y magnéticos) asociados con la fuerza y no en las cargas. En la gravedad la energía se encuentra en la materia misma. Como resultado de esta observación se puede deducir que no es una coincidencia que la masa deforme el espacio-tiempo mientras que las otras tres fuerzas fundamentales no lo hacen.

Según la ecuación, la mayor cantidad de energía que se puede obtener de un objeto es equivalente a su masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado.

Dicha ecuación fue fundamental en el desarrollo de la bomba atómica. Al medir la masa de distintos núcleos atómicos y luego restarle a esta medida la masa de cada uno de los protones y neutrones, se puede obtener un estimado de la energía disponible dentro del núcleo atómico, que tiene origen en la atracción entre las partículas subatómicas. Dicha prueba muestra que no sólo se puede desatar esta energía a través de la fusión de núcleos livianos, sino que también se puede hacer a través de la fisión de núcleos pesados y también puede demostrar cuanta energía se puede liberar. Se debe notar que la masa de los protones y neutrones sigue presente y esta también representa cierta cantidad de energía.

Es importante notar que la conversión de masa a energía rara vez cuenta con un cien por ciento de eficiencia. Existe una teoría que una conversión perfecta resultaría de la colisión de materia con antimateria ^{[cita requerida]}. En la mayoría de los casos se producen otros tipos de cuerpos en vez de energía, por lo cual muy poca masa en realidad llega a convertirse. En la ecuación la masa es la energía pero por motivos de claridad se utiliza la palabra conversión.

[editar] Aplicaciones de la ecuación

La ecuación, E=mc², se aplica a todos los objetos que cuentan con una masa por el hecho que la masa de un objeto se deriva de la energía (o la energía de su masa) y es posible convertir de energía a masa y viceversa. La aplicación de susodicha ecuación a los objetos en movimiento dependería de la definición de masa que se este utilizando en la ecuación.

Normalmente la ecuación se aplica a un objeto que no se encuentra en movimiento lo cual significa que el objeto está siendo visto desde un punto de referencia en el cual el objeto se encuentra en reposo. Este mismo objeto podría encontrarse en movimiento desde otro marco de referencia aunque para este último escenario la ecuación no aplicaría.

Cabe notar que en la física moderna la masa es absoluta y la energía es relativa. Basándose en este punto se puede decir que técnicamente la masa no es energía ni tampoco la energía es igual a la masa. La ecuación simplemente detalla la conversión de masa a energía.

[editar] Utilizando la masa relativista

En los ensayos de Einstein (uno de los cuales se puede encontrar en esta página) la variable m representaba lo que ahora conocemos como masa relativista. Dicha masa se relaciona a la masa estacionaria, que es la masa de un objeto que se encuentra fijo desde el marco de referencia siendo utilizado. La masa relativista de un objeto cambia con la velocidad de un objeto, se incrementa a medida que la velocidad de un objeto incrementa desde el punto de vista utilizado, mientras que la masa estacionaria es una cantidad fija. Las dos masas se relacionan entre sí según la ecuación:

Para obtener la ecuación de E = mc² se debe de modificar la ecuación E² = p²c² + m²c⁴ asignándole un valor de cero a p (p = 0) lo que significa que v también tiene que ser igual a cero (v = 0). Según se puede observar, el objeto esta fijo (su velocidad es de cero) y E² es igual a m²c⁴, o sea E = mc². E = mc² solo se aplica en este caso en particular, en el cual la masa no está en movimiento. Si la masa se encuentra en movimiento es necesario volver a insertar la multiplicación del cuadrado de las variables p y c en la ecuación (p²c²).

Si se le asigna un valor de cero a la variable v (v = 0) en la ecuación , se dice que la masa no se encuentra en movimiento, y como resultado la masa relativista y la masa estacionaria tienen el mismo valor. En este caso la ecuación E = mc² puede escribirse como E = m₀c². No existe ninguna diferencia entre esta ecuación y E = mc² con excepción, quizás, de que se podría decir que m₀ representa a v = 0.

Si se usa la masa relativista de un objeto se tiene que cambiar la ecuación original a E = mc² a E = m₀c² y esta no aplicaría a un objeto en movimiento ya que m₀ solo se aplica al caso en el cual v = 0 y cuando v es igual a cero, m = m₀.

[editar] Utilizando la masa en reposo

Los físicos modernos rara vez utilizan la masa relativista, razón por la cual m representa la masa en reposo y la variable E es la energía en reposo (la energía de un objeto que no se encuentra en movimiento) en la ecuación E = mc². La ecuación que se utiliza para los objetos que se encuentran en movimiento es

En la ecuación p = γmv es el ímpetu del objeto. Esta ecuación se reduce a E = mc² en los casos que un objeto se encuentra en reposo. Por motivos de claridad la variable m representará la masa relativista y m₀ representara la masa en reposo en el resto del artículo.

[editar] Aproximación de baja energía

Dado el hecho que la energía en reposo es igual a m₀c², la energía total es igual a la suma de la energía cinética más la energía en reposo. La ecuación que genera el total de la energía cinética relativa es la siguiente:

.

A velocidades bajas está ecuación debería de ser equivalente a la fórmula que se utiliza para obtener la energía cinética de un objeto:

.

Al expandir γ utilizando una serie de Taylor se puede demostrar que las dos ecuaciones concuerdan una con otra:

.

Si se inserta esta fórmula a la ecuación original se obtiene el siguiente resultado:

.

Como resultado se obtiene la expresión ½m₀v² = Energía total - Energía en reposo que también se puede reorganizar para que Energía total = Energía en reposo + ½m₀v². Esta ecuación genera un conflicto con la física de Newton en la cual toda la energía se consideraba como energía cinética. Esta nueva ecuación demostró que la relatividad era una corrección a la mecánica clásica y que en un ambiente de baja energía o en un régimen clásico la física relativa y la física de Newton no son equivalentes la una con la otra. Aunque la fórmula para obtener el total de energía no es igual, la ecuación para obtener solamente la energía cinética de un objeto sí es la misma.

Einstein demostró que la física clásica estaba errada cuando trataba de explicar objetos masivos u objetos que viajan a velocidades muy elevadas. En el caso de los objetos más pequeños y lentos, los cuales fueron la base de la física clásica de Newton, la física clásica si es compatible con la física moderna.

[editar] Ensayo de Einstein de 1905

La ecuación, E = mc², no fue formulada exactamente en dicha forma en el ensayo de Albert Einstein publicado en 1905. Einstein tituló dicho ensayo "Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?" ("¿La inercia de un cuerpo depende de su contenido energético?", publicado en Annalen der Physik el 27 de septiembre). En la actualidad este ensayo se incluye en los ensayos de Einstein titulados colectivamente como los Ensayos Annus Mirabilis. La tesis del ensayo de 1905 fue: "Si un cuerpo genera energía, L, en la forma de radiación, su masa disminuye por L/c²." En este caso la radiación equivale a la energía cinética y el concepto de masa era el que en la física moderna equivale a la masa en reposo. La fórmula L/c² equivale a la diferencia de masa antes y después de la expulsión de energía; esta ecuación no representa la masa total de un objeto. Cuando Einstein publicó su ensayo esta fórmula era una teoría y todavía no se había probado a través de experimentos.

[editar] Contribuciones de otros físicos

Einstein no fue el único físico que notó la relación de la energía y la masa pero sí el primero en publicar dicha relación como parte de una teoría mucho más importante y en deducir la relación de la energía con la masa desde otra teoría. Según Umberto Bartocci (historiador de matemáticas en la Universidad de Perugia), Olinto De Pretto, oriundo de Vicenza, Italia, ya había publicado la ecuación dos años antes que Einstein. Muchos historiadores no están de acuerdo con está declaración o no le dan mucha importancia. Los que defienden a Einstein también sostienen que aún si fuese cierto que De Pretto fue el primero en publicar la fórmula, fue Einstein que la pudo relacionar con la teoría de la relatividad.

[editar] Biografía

Se utilizó esta célebre ecuación (E=mc²) como el título de una biografía de Albert Einstein que se transmitió por televisión en el 2005. Dicho programa se enfocó principalmente en 1905.

[editar] Véase también

• Celeritas la razón por la cual se utiliza la variable c en E=mc².
• Relación de energía-momento
• Equivalencía masa-energía
• Masa relativista
• Teoría de la Relatividad Especial
• Inercia
• =mc² es la abreviatura de Museos Científicos Coruñeses entidad que reúne al Aquarium Finisterrae, la Casa de las Ciencias y la Casa del Hombre.

[editar] Fuentes

• Bodanis, David (2001). E=mc²: A Biography of the World's Most Famous Equation, Berkley Trade. ISBN 0425181642.
• Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Modern Physics (4th ed.), W. H. Freeman. ISBN 0716743450.

[editar] Enlaces externos

• Celebrando el centésimo cumpleaños de Einstein BBC (inglés)
• E=mc² inspira obra de ballet BBC (inglés)
• Compañía de baile Rampart Dance Company: Constant Speed E=mc² (inglés)
• Calculador de anti-materia (inglés)
• La energía en una explosión nuclear (inglés)
• Albert Einstein’s Ensayo de 1905 (inglés)
• Manuscrito de Einstein de 1912
• NOVA – La gran idea de Einstein (PBS Television) (inglés)