¿Qué es la energía?

Quiero compartir una pregunta que me formularon recientemente : ¿Qué es la energía? Todos conocemos la definición de diccionario, por ejemplo según la RAE : “Energía es la capacidad de realizar un trabajo. Se mide en julios“. Simple. Lo que nos enseñaron en el instituto. También sabemos que existe en varias formas : potencial, cinética, eléctrica, química, nuclear,… Esta es la definición más común y que funciona cuando estamos en el mundo que vemos (macroscópico) pero las cosas dejan de estar tan claras cuando la realizamos pensando en el mundo microscópico.

Hagamos un apunte antes de entrar en el mundo de las partículas. ¿Cómo son las energías que se manejan en física de partículas? En este momento, LHC es el mayor acelerador del mundo y el que alcanza mayor energía, ¡8 TeV! Esta energía es enorme para un acelerador, pero como es de grande comparada con las energías que conocemos. 1 Tera electrón Voltios (TeV) o lo que es lo mismo 1000.000.000.000 de electrón Voltios es similar a la energía cinética de un mosquito volando, menos de una millonésima de Julio. Pero aún siendo tan pequeña es una energía enorme para una partícula que pesa 1.7 10^-24 gramos y mide una millonésima de manómetro. Volviendo a la definición anterior, resulta difícil imaginar los 8 TeV de energía de este protón como “capacidad de realizar trabajo”.

El mundo microscopio el concepto de trabajo no es claro, si lo es sin embargo la energía cinética, energía que tienen las partículas por estar en movimiento. Bueno, tal vez tampoco esta. Empezamos a tener problemas para entender la energía cinética en el modo clásico cuando consideramos la relatividad.

Por poco que conozcamos de la relatividad, conocemos la ecuación de Einstein, seguramente una de las más famosas de la historia junto con la de Newton y  el teorema de Pitágoras. E = mc² aunque no es su forma completa como vimos (¿Por qué no se puede ir más rápido que la luz?) es la más fácil de entender. La ecuación nos dice que podemos convertir energía en masa y al revés, la masa de una partícula se puede liberar en forma de energía (con la consiguiente desintegración de las partículas).

Por otro lado la relatividad también relaciona el espacio-tiempo con la energía y el momento (masa por velocidad) de las partículas. En este punto, la energía de una partícula queda integrada junto con el momento en el llamado vector cuadrimomento. La energía pasa a entrar en la definición del estado de la partícula. La energía, la masa, velocidad están relacionadas con la gravedad y con el tiempo.

Si además de esto incluimos lo que conocemos de la física cuántica la situación se complica aun más, llevándonos incluso más lejos de la definición de energía de los libros de texto.

No entraré en más detalles en esta entrada, creo que queda medianamente claro lo que intentaba decir. La pregunta “¿Qué es energía?” es difícil de responder con una respuesta simple e intuitiva, pero en física tiene una definición clara, rigurosa matemáticamente y que tiene una propiedad muy importante y es que su valor se conserva. Si en algún otro momento me hacen la misma pregunta, creo que responderé con las palabras de Richard Feynman : “Es importante darse cuenta que en la física actual no sabemos lo que la energía es. No tenemos un modelo de energía formada por pequeñas gotas de un tamaño definido. No es así. Sin embargo, hay fórmulas para calcular cierta cantidad numérica, y cuando las juntamos todas nos da “28” – siempre el mismo número –. Es algo abstracto en el sentido que no nos informa el mecanismo o las razones para las diversas fórmulas.” Richard Feynman, in The Feynman Lectures on Physics (1964) Volume I, 4-1.