¿Cuánta
energía contiene el universo observable? Una cifra casi imposible de imaginar
Por Bruno
Perera.
Desde que
Albert Einstein formuló su famosa ecuación E = mc², nuestra forma de
entender la materia cambió para siempre. Aquella sencilla expresión matemática
reveló una de las mayores verdades de la física: la materia y la energía son
dos manifestaciones de una misma realidad.
La ecuación indica que cualquier objeto con masa contiene una enorme
cantidad de energía en su interior. Basta multiplicar su masa por el cuadrado
de la velocidad de la luz (unos 300.000 kilómetros por segundo) para obtener su
energía equivalente.
La sorprendente energía de un simple gramo de roca
Si tomamos un gramo de roca y aplicamos la ecuación de Einstein, obtenemos:
E = 0,001 kg × (299.792.458 m/s)²
El resultado es aproximadamente:
90 billones de julios (9 × 10¹³ julios), lo que también equivale a 90 terajulios.
Esta cantidad resulta difícil de imaginar. Para hacerse una idea, la bomba
atómica lanzada sobre Nagasaki en 1945 liberó una energía de aproximadamente 8,8
× 10¹³ julios, prácticamente la misma energía equivalente contenida en un
solo gramo de materia.
Naturalmente, esto no
significa que un gramo de roca pueda convertirse fácilmente en una bomba. Las
bombas nucleares reales únicamente transforman en energía una pequeña fracción
de la masa implicada. La ecuación de Einstein representa el límite máximo
teórico de conversión entre masa y energía.
Las bombas nucleares
se fabrican aprovechando la enorme energía que se libera en las reacciones del
núcleo atómico. Existen dos tipos principales:
1.
Bombas de fisión (atómicas): utilizan materiales como el
uranio-235 o el plutonio-239. Cuando los núcleos de estos elementos se dividen
(fisión), liberan una enorme cantidad de energía y más neutrones, que provocan
una reacción en cadena extremadamente rápida.
2.
Bombas de fusión
(termonucleares o de hidrógeno): emplean la fusión de isótopos del hidrógeno,
como el deuterio y el tritio, para liberar todavía más energía. Para iniciar
esa fusión se necesita primero la explosión de una bomba de fisión.
La inmensa energía liberada proviene de una pequeñísima pérdida de masa
durante la reacción nuclear. Esa masa se transforma en energía según la famosa
ecuación de Albert Einstein:
La energía del universo observable
Si un solo gramo contiene semejante cantidad de energía, surge una pregunta
inevitable:
¿Cuánta energía contiene todo el universo observable?
Las estimaciones cosmológicas actuales indican que la masa equivalente
total del universo observable es aproximadamente:
10⁵³ kilogramos.
Aplicando nuevamente la ecuación de Einstein obtenemos:
E ≈ 9 × 10⁶⁹ julios.
Es decir, alrededor de:
10⁷⁰ julios.
Estamos hablando de un número formado por un 1 seguido de unos 70 ceros,
que puede ser incluso infinito porque nadie conoce el tamaño real del universo.
Es una cantidad tan gigantesca que escapa completamente a la intuición
humana.
¿Cuántas bombas como la de Nagasaki equivaldrían a esa energía de un 1 seguido de 70 ceros?
Si dividimos la energía del universo observable entre la energía liberada
por la bomba de Nagasaki, obtenemos aproximadamente:
10⁵⁶ bombas.
Es decir, un 1 seguido de 56 ceros.
Este número resulta tan inmenso que incluso los astrónomos recurren a la
notación científica para expresarlo. Es prácticamente imposible escribirlo o
imaginarlo de forma intuitiva.
Un universo lleno de energía
La energía equivalente del universo observable no procede únicamente de la
materia que vemos en estrellas y galaxias.
Según el modelo cosmológico actual, el contenido del universo está
distribuido aproximadamente así:
1. Un 5 % corresponde a la materia ordinaria, formada por protones,
neutrones, electrones y todo aquello que conocemos.
- Alrededor
del 27 % corresponde a la misteriosa materia oscura, cuya
naturaleza aún desconocemos.
- Cerca del
68 % corresponde a la energía oscura, responsable de la expansión
acelerada del universo.
Todo ello forma parte del inmenso presupuesto energético del cosmos.
Una cifra que desafía la imaginación
La mente humana está acostumbrada a pensar en cientos, miles o millones.
Incluso miles de millones comienzan a resultar difíciles de visualizar.
Pero cuando hablamos de 10⁷⁰ julios, estamos entrando en una escala
completamente diferente.
Si cada grano de arena de todas las playas de la Tierra representara una
enorme cantidad de energía, todavía estaríamos muy lejos de alcanzar la energía
equivalente contenida en el universo observable.
Y, sin embargo, toda esa energía nació hace unos 13.800 millones de años,
durante el Big Bang, dando origen al espacio, al tiempo, a la materia, a las
galaxias, a las estrellas, a los planetas y, finalmente, a la vida.
La genialidad de Einstein
Lo más extraordinario es que toda esta inmensidad queda resumida en una
fórmula compuesta únicamente por cinco símbolos:
E = mc²
Pocas ecuaciones han cambiado tanto nuestra comprensión del universo.
Gracias a ella sabemos que incluso una diminuta piedra contiene una energía
inimaginable y que el universo entero almacena una cantidad de energía tan
colosal que escapa por completo a nuestra capacidad de representación.
Cada átomo, cada estrella y cada galaxia son manifestaciones de esa
extraordinaria equivalencia entre masa y energía descubierta por Albert
Einstein hace más de un siglo.
Quizá ese sea uno de los mensajes más profundos de la física moderna: el
universo que contemplamos no solo está hecho de materia, sino también de una
inmensa reserva de energía, escondida silenciosamente en cada rincón del cosmos
y gobernada por una de las ecuaciones más bellas y poderosas jamás escritas.
En esto conviene hacer un matiz histórico
importante: Einstein fue
quien formuló correctamente la equivalencia masa-energía dentro de la teoría especial
de la relatividad y le dio su fundamento físico, pero hubo
investigadores anteriores que intuyeron o propusieron relaciones entre masa y
energía. Sin embargo, no obtuvieron la expresión correcta ni su interpretación
completa.
¿Qué es un julio (J)?
Es la unidad básica de energía en el Sistema
Internacional. Por sí solo es una cantidad relativamente pequeña de energía.
Se define como:
1 julio es la energía necesaria para
aplicar una fuerza de 1 newton y desplazar un objeto 1 metro en la dirección de
esa fuerza.
Como esta definición resulta un poco
abstracta, es más fácil entenderlo con ejemplos cotidianos:
1. Levantar una manzana de unos 100 gramos
aproximadamente 1 metro
requiere cerca de 1
julio de energía.
2. Una persona en reposo
consume alrededor de 100
julios de energía por segundo solo para mantener las funciones
vitales.
3. Una bombilla
incandescente de 100
vatios consume 100
julios cada segundo (porque 1 vatio = 1 julio por segundo).
4. Una bombilla LED de 10 vatios consume 10 julios por segundo.
5. Una caloría
alimentaria (la que aparece en los alimentos, en realidad una kilocaloría)
equivale aproximadamente a 4.184
julios.
¿Qué
significan entonces los 90 billones de julios de un gramo de materia?
Un gramo de materia contiene, según la
ecuación de Einstein:
90 billones de julios = 90 terajulios
= 9 × 10¹³ julios.
Para hacerse una idea:
1. Esa energía bastaría
para mantener encendida una bombilla de 100
vatios durante unos 28.500
años.
2. Equivale
aproximadamente a la energía liberada por la bomba atómica de Nagasaki.
3. También equivale a la
electricidad que consumen decenas de miles de hogares durante un año,
dependiendo del consumo medio.
Por eso, cuando Einstein descubrió que una cantidad tan pequeña de materia
escondía semejante cantidad de energía, la física cambió para
siempre. La ecuación E =
mc² reveló que la materia es, en cierto sentido, una forma
extremadamente concentrada de energía.
Nota histórica: ¿Fue realmente Einstein el
único autor de la ecuación E = mc²?
Aunque la ecuación E = mc² está
inseparablemente asociada a Albert Einstein, la historia de su origen es más
compleja de lo que suele contarse.
Antes de Einstein, varios científicos ya
habían sugerido que podía existir una relación entre la masa y la energía,
aunque sus planteamientos eran incompletos o contenían errores.
Entre ellos destaca el físico británico John Henry Poynting,
quien a finales del siglo XIX estudió la relación entre la energía
electromagnética y la inercia de los cuerpos.
Poco después, el físico austriaco Friedrich Hasenöhrl
publicó en 1904 y 1905 varios trabajos en los que analizó la masa aparente de
un recipiente lleno de radiación. Sus cálculos le llevaron a una relación entre
energía y masa, pero obtuvo factores incorrectos (como E = 3/8 mc² y
posteriormente E = 3/4
mc²) debido a que aún no disponía de la teoría de la
relatividad especial.
También el matemático y físico francés Henri Poincaré había
estudiado la relación entre la radiación electromagnética, el momento y la
inercia, llegando a conclusiones que apuntaban hacia una conexión entre masa y
energía, aunque sin derivar la ecuación definitiva.
Fue finalmente Albert Einstein, en
septiembre de 1905, quien publicó el artículo ¿Depende la inercia de un cuerpo de su contenido
energético? En ese trabajo demostró, dentro del marco de la recién
formulada teoría especial de la relatividad, que la masa y la energía son
equivalentes y estableció correctamente la famosa expresión:
E = mc²
Esta ecuación no fue simplemente una
aproximación matemática, sino una consecuencia directa de una nueva forma de
entender el espacio, el tiempo y la naturaleza de la materia.
Por ello, aunque otros científicos realizaron
aportaciones previas muy valiosas e intuyeron parte del camino, la comunidad
científica reconoce a Albert Einstein como el autor de la formulación correcta,
completa y físicamente fundamentada de la equivalencia entre masa y energía.
