5.3: Interacciones fundamentales y otras formas de energía

En el nivel más fundamental (microscópico), los físicos actuales creen que solo hay cuatro (o tres, dependiendo de tu perspectiva) interacciones básicas: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerte interacción nuclear (responsable de mantener unidos los núcleos atómicos) y la interacción nuclear débil (responsable de ciertos procesos nucleares, como la transmutación de un protón en un neutrón ⁷ y viceversa). En un sentido técnico, a nivel cuántico, el electromagnetismo y las interacciones nucleares débiles pueden considerarse como manifestaciones separadas de una teoría de campo cuántica única y consistente, por lo que a veces se les conoce como “la interacción electrodébil”.

Todas estas interacciones son conservadoras, en el sentido de que para todas ellas se puede definir el equivalente de una “función energética potencial” (generalizada, según sea necesario, para ajustarse a los requerimientos de la mecánica cuántica y la relatividad), de manera que para un sistema de partículas elementales interactuando a través de cualquiera de estas interacciones la cinética total más la energía potencial es una constante del movimiento. Para la gravedad (¡que realmente no sabemos “cuantificar” de todos modos!) , esta función se traslada inmediatamente al dominio macroscópico sin ningún cambio, como veremos en un capítulo posterior, y la función de energía potencial gravitacional que introduje anteriormente en este capítulo es una aproximación a la misma válida cerca de la superficie de la tierra (la gravedad es una fuerza tan débil que el la interacción gravitacional entre dos objetos ligados a la tierra es prácticamente insignificante, por lo que solo tenemos que preocuparnos por la energía gravitacional cuando uno de los objetos involucrados es la propia tierra).

En cuanto a las interacciones nucleares fuertes y débiles, solo son apreciables a lo largo de la escala de un núcleo atómico, por lo que no cabe duda de que afecten directamente a ningún proceso mecánico macroscópico. Son responsables, sin embargo, de diversas reacciones nucleares en el curso de las cuales la energía nuclear es, más comúnmente, transformada en energía electromagnética (rayos X o gamma) y energía térmica.

Todas las demás formas de energía que uno encuentra a nivel microscópico, e incluso el macroscópico, tienen su origen en el electromagnetismo. Algunos de ellos, como la energía electrostática en un condensador o la interacción magnética entre dos imanes permanentes, son escalados lo suficientemente sencillos de sus homólogos microscópicos, y pueden permitir una descripción de energía potencial a nivel macroscópico (¡y aprenderás más sobre ellos el próximo semestre! ). Muchos otros, sin embargo, son más sutiles e involucran efectos mecánicos cuánticos (como el principio de exclusión) de manera fundamental.

Entre los más importantes se encuentra la energía química, que es una fuente de energía extremadamente importante para todo tipo de procesos macroscópicos: combustión (¡y explosiones!) , la producción de energía eléctrica en baterías y todos los procesos bioquímicos que alimentan nuestro propio cuerpo. Sin embargo, la conversión de la energía química en energía mecánica macroscópica es casi siempre un proceso disipativo (es decir, uno en el que parte de la energía química inicial termina convertida irreversiblemente en energía térmica), por lo que generalmente es imposible describirlas usando una energía potencial (macroscópica) función (excepto, posiblemente, para procesos electroquímicos, de los que no nos ocuparemos aquí).

Por ejemplo, considere una reacción química en la que cierta cantidad de energía química se convierte en energía cinética de las moléculas que forman los productos de reacción. Incluso cuando se tiene cuidado de “canalizar” el movimiento de los productos de reacción en una dirección particular (por ejemplo, para empujar un cilindro en un motor de combustión), muchas de las moléculas individuales terminarán volando en la dirección “equivocada”, golpeando los lados del contenedor, etc. en otras palabras, terminamos con mucho de la energía química que se convierte en agitación microscópica desorganizada, es decir, energía térmica.

Los efectos electrostáticos y cuánticos también son responsables de las propiedades elásticas de los materiales, que a veces pueden describirse mediante funciones macroscópicas de energía potencial, al menos a una primera aproximación (como el resorte que estudiamos anteriormente en el capítulo). También son responsables de las fuerzas adhesivas entre las superficies que juegan un papel importante en la fricción, y varios otros tipos de lo que podrían llamarse “energías estructurales”, la mayoría de las cuales juegan solo un papel relativamente pequeño en el balance energético donde están involucrados objetos macroscópicos.

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⁷ Más un positrón y un neutrino