Einstein tenía razón - Divulgación CIEMAT
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La ecuación más famosa del mundo
E = mc2 , la ecuación de la teoría de la relatividad especial del físico alemán Albert Einstein expresa el hecho de que la masa y la energía son la misma entidad física y pueden transformarse entre sí. En la ecuación, el aumento de la masa relativista (m) de un cuerpo multiplicado por la velocidad de la luz al cuadrado (c2) es igual a la energía cinética (E) de ese cuerpo.
Antes de que Einstein propusiese la relatividad especial, la masa y la energía se consideraban entidades distintas. Además, a la energía de un cuerpo en reposo se le podría asignar un valor arbitrario.
Sin embargo, en la relatividad especial, la energía de un cuerpo en reposo se determina como mc2. Por tanto, cada cuerpo de masa en reposo m posee mc2 de “energía en reposo”, que potencialmente está disponible para su conversión en otras formas de energía. Además, la relación masa-energía implica que, si se libera energía del cuerpo como resultado de tal conversión, entonces la masa en reposo del cuerpo disminuirá. Esta conversión de energía en reposo en otras formas de energía ocurre en reacciones químicas ordinarias en muy pequeña escala. Pero donde esta magnitud toma valores mucho mayores es en reacciones nucleares.
Masa a energía
Esto es particularmente cierto en el caso de las reacciones de fusión nuclear que transforman el hidrógeno en helio, en las que el 0,7 por ciento de la energía en reposo original del hidrógeno se convierte en otras formas de energía. Las estrellas como el Sol brillan gracias a la energía liberada por la energía en reposo de los átomos de hidrógeno que se fusionan para formar helio.
La fusión nuclear tiene el potencial de ser una fuente de energía limpia y abundante, con abundantes reservas de combustible (principalmente isotopos de hidrógeno, como el deuterio y el tritio) y sin producir emisiones de gases de efecto invernadero ni residuos nucleares a largo plazo. Sin embargo, su viabilidad como fuente de energía comercial aún enfrenta varios desafíos.
El principal reto es lograr la "ignición", es decir, alcanzar las condiciones en las que la energía liberada por la fusión es suficiente para mantener el proceso sin necesidad de una fuente externa de energía, lo que se conoce como "quema auto-sostenida". Hasta ahora, los experimentos de fusión han logrado producir energía de fusión, pero no han alcanzado la ignición.
Además, existen desafíos tecnológicos significativos en la construcción de reactores de fusión comercialmente viables. Estos incluyen el diseño y la fabricación de materiales que puedan soportar las altas temperaturas y las condiciones extremas de radiación dentro del reactor, así como el desarrollo de sistemas de confinamiento y control de plasma eficientes y seguros.
A pesar de estos desafíos, hay una considerable actividad de investigación en curso en todo el mundo para superar estos obstáculos y desarrollar tecnologías de fusión comercialmente viables. Proyectos como ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) están avanzando en la construcción de reactores de fusión a escala de demostración para estudiar y demostrar la viabilidad técnica y económica de la fusión nuclear como fuente de energía. Sin embargo, se espera que pasen décadas antes de que la fusión nuclear pueda contribuir significativamente a la producción de energía a nivel mundial.
Otro de los retos principales es trabajar en el confinamiento del plasma de hidrógeno en condiciones lo más estables posibles para asegurar que las reacciones de fusión se mantengan de forma contínua. Este es precisamente el principal objetivo del Laboratorio Nacional de Fusión en el CIEMAT, a través de la instalación TJ-II, que puedes visitar en este enlace:
Visita virtual al TJ-II en el Laboratorio Nacional de Fusión
Energía a masa
Ahora bien, también podemos utilizar la ecuación en sentido contrario convertir energía en masa. Es decir, usar partículas de enorme energía cinética y hacerlas colisionar entre sí. De este modo conseguimos altísimas concentraciones de energía que se emplea en la creación nuevas partículas, algunas de las cuales pueden tener una masa significativa. Este es el principio de funcionamiento de los aceleradores de partículas, que a lo largo de las últimas décadas han sido la herramienta fundamental para investigar sobre el origen de la materia.
Los aceleradores de partículas han sido y serán herramientas fundamentales en la exploración y comprensión de la física de partículas y de fenómenos fundamentales en el universo.
Los aceleradores de partículas nos permiten estudiar la estructura interna de la materia a escalas muy pequeñas. Al acelerar partículas a velocidades cercanas a la velocidad de la luz y hacerlas colisionar, podemos observar los constituyentes básicos de la materia y comprender cómo interactúan entre sí.
Además, permiten alcanzar energías muy altas en las colisiones entre partículas. Esta energía concentrada es capaz de crear nuevas partículas que normalmente no se encuentran en la naturaleza o que solo existieron en las condiciones extremas poco después del Big Bang. Estudiar estas partículas nos ayuda a ampliar nuestro conocimiento sobre las fuerzas fundamentales que rigen el universo y a comprender mejor su estructura y evolución.
Si bien el principal propósito de los aceleradores de partículas es la investigación científica, también tienen aplicaciones tecnológicas importantes. Por ejemplo, la radioterapia con haz de partículas utiliza aceleradores de partículas para tratar el cáncer de manera más precisa y efectiva que las técnicas tradicionales de radioterapia.
A lo largo de la historia han existido múltiples aceleradores de partículas. El mayor construído jamás es el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) en el CERN, que forma parte del mayor complejo de aceleradores del mundo en las inmediaciones de Ginebra, en Suiza. Puedes disfrutar de una visita virtual a los diferentes aceleradores del CERN en el siguiente enlace: