Energía. Su relevancia en mecánica, termodinámica, átomos, agujeros negros y cosmología

OSVALDO M. MORESCHI

INET

Lugar: Buenos Aires; Año: 2010 p. 200

978-950-00-0795-5

La primer pregunta que probablemente uno se pueda hacer, en relación con la energía, es ¿porqué estudiar el concepto de energía? La respuesta corta es: {color{violeta}porque} es un concepto muy útil que se puede aplicar en una gran cantidad de situaciones y nos ayuda a comprender sistemas variados. En física se han desarrollado distintos marcos teóricos que son útiles para describir exitosamente distintos tipos de sistemas físicos. En lo que sigue mencionaremos algunos de los marcos teóricos que se usan. egin{description} item [La mecánica clásica] Este marco teórico es el que se desarrolló históricamente en primer término. Está asociado principalmente a los nombres de Galileo Galilei (1564-1642), quien aportó en la noción de espacio, tiempo y simetrías; y de Isaac Newton (1642-1727), quien aportó con las leyes dinámicas y de la gravitación. Naturalmente muchos otros investigadores han aportado a la construcción de esta disciplina. En término de este marco teórico se describen muy bien por ejemplo el movimiento de los planetas y muchos sistemas de la vida cotidiana. item[La mecánica relativista o relatividad especial] Este marco teórico surgió de la necesidad de integrar el conocimiento de las interacciones electromagnéticas. Sucede que en el siglo XIX, James Clerk Maxwell (1831-1879) escribió las ecuaciones que describen los campos electromagnéticos; pero dichas ecuaciones introducían una velocidad característica, que por el momento denominaremos $c$, que no aparecía en el marco teórico de la física clásica. Posteriormente, en 1905, Albert Einstein sugiere una manera de interpretar las cosas, lo que da origen a la llamada relatividad especial. Ahora entendemos que la velocidad $c$ es una característica fundamental de la noción de espaciotiempo y que en particular constituye un límite para la velocidad de propagación de las interacciones, cualquiera que ellas sean, electromagnéticas o de otra clase. item[Teoría de la gravedad relativista o relatividad general] La teoría de la gravitación sugerida por Newton dentro del marco teórico de la mecánica clásica, no incluía ninguna noción relativista, o sea, la velocidad $c$ no aparece en ninguna de sus ecuaciones; por lo que se estaba en frente de una incógnita. Nuevamente las contribuciones de Albert Einstein han sugerido un nuevo marco teórico donde se puede hacer una descripción consistente de efectos gravitatorios con relatividad incluida. Lo importante de remarcar, es que constituye un nuevo marco teórico que no coincide con la relatividad especial. Por ello se la llama también relatividad general. En 1916, Albert Einstein publica las ecuaciones fundamentales que gobiernan la estructura del espaciotiempo de la relatividad general. Se dice que en este caso se está en presencia de un espaciotiempo curvo; mientras que la relatividad especial trata un espaciotiempo plano. Más adelante profundizaremos sobre estos términos. item[Mecánica cuántica] Cuando en las primeras décadas del siglo XX se comenzó el estudio detallado de la estructura atómica de la materia, se confrontó inmediatamente que los marcos teóricos existentes no eran satisfactorios para la descripción de los sistemas atómicos. Es así como comienza el desarrollo de la mecánica cuántica (no relativista). Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg, en la década del 1920, hicieron importantes contribuciones a la dinámica de la mecánica cuántica. item[Mecánica cuántica relativista] La primer versión de la mecánica cuántica no incluía tampoco la mencionada velocidad característica $c$, por lo que era necesario construir una versión relativista de la misma. Paul A.M. Dirac hizo importantes aportes a la descripción dinámica relativista del electrón; lo que constituyó el primer paso en la dirección de la construcción del marco teórico de una mecánica cuántica relativista. La descripción que se hace al presente de las llamadas partículas elementales es por medio de campos cuánticos relativistas; por lo que frecuentemente se habla de la teoría de campos cuánticos. end{description} En cada uno de estos marcos teóricos podemos agregar los sistemas tratados por la {f mecánica estadística}, o también llamada {f física estadística}. O sea, sistemas de muchos subsistemas (partículas). En todos estos marcos teóricos la noción de energía adquiere la forma de un concepto preciso. En los primeros siete capítulos comenzaremos por estudiar la noción de energía en el primer marco teórico de la mecánica clásica. En el capítulo ef{ch:relativista} veremos el concepto de energía en el marco teórico de la mecánica relativista. En el capítulo ef{ch:electrones} y ef{ch:nucleos} estudiaremos la noción de energía en sistemas de la mecánica cuántica. En el capítulo ef{ch:relatividad-gen} discutiremos sistemas gravitatorios relativistas, mientras que en el ef{ch:cosmo} su incidencia en el sistema cosmológico. En el capítulo ef{ch:part-elem} veremos sistemas de partículas elementales relativistas, que precisan de una descripción cuántica relativista.