¿Por qué decimos que la energía se conserva?

«La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma» ¿Cuántas veces hemos leído, escuchado y hasta memorizado esta frase? Recuerdo que cuando niño mi mamá me enseñó que el lugar más importante de la casa es donde están los libros (como conté hace un tiempo) y así encontré un libro de química donde leí este «principio» por primera vez. Esta frase nos dice que la energía no se pierde, no desaparece, sólo puede convertirse de un tipo de energía en otro. Para comprender este principio veamos primero qué es la energía.

¿Qué es la energía?

Mencionaba en otro artículo que la palabra energía suele ser manoseada y usada ampliamente por promotores de disciplinas pseudocientíficas que hablan de la energía espiritual y cosas así para tratar de vender sus fraudes, por lo que trataré de explicar qué es la energía (la de verdad, no la de los charlatanes).
Los físicos definen energía como «la capacidad de realizar trabajo», lo que puede entenderse como «la capacidad de mover un objeto de un punto a otro». La energía puede clasificarse en dos tipos: cinética y potencial. La más simple de entender es la energía cinética, que se refiere a la energía del movimiento (cinética proviene del griego kineo que significa movimiento). Ya que cualquier cuerpo en movimiento tiene la capacidad para mover a otro (por ejemplo en una colisión), decimos que los objetos que se mueven tienen energía, esa energía se llama energía cinética.
Imaginemos un experimento en el que lanzamos una pelota contra otra en reposo (y por ello sin energía cinética). Dado que la primera pelota se mueve decimos que posee energía cinética: después de colisionar, ambas pelotas se estarán moviendo, decimos que ambas poseen energía cinética después de la colisión. Si sumamos la energía de ambas pelotas luego de la colisión obtendremos la misma energía antes de la colisión, por eso decimos que la energía se conserva, no se destruye.

objetos convirtiendo energía potencial gravitatoria en cinética

Existe otro tipo de energía llamada potencial. Esta se refiere a energía que no es tan evidente como la cinética porque está almacenada de alguna manera, aunque puede llegar a transformarse en energía cinética. Supongamos un segundo experimento en el que sostenemos la pelota en lo alto de una torre. La pelota está en reposo (no se mueve) por lo tanto tiene cero energía cinética, sin embargo sabemos que si la soltamos la pelota comenzará a moverse, es decir, adquirirá energía cinética. ¿De dónde proviene esa energía? Sabemos que la energía no puede crearse de la nada, por lo tanto la energía cinética que la pelota adquirirá en su caída debe provenir de otro lugar. La respuesta (en este ejemplo) es la gravedad: la pelota no llegó a lo alto de la torre por si sola, alguien tuvo que subir la escalera para ponerla allá arriba y ese alguien usó su energía (gracias las calorías proporcionadas por un buen desayuno esa mañana) para moverse en contra de la fuerza de gravedad y llevar la pelota a la torre. Mientras la pelota era llevada desde el piso hasta lo alto de la torre su energía aumentaba con la altura, pero esa energía no es cinética, por el contrario es una energía que tiene «el potencial» de convertirse en cinética: esa energía es la energía potencial. En este ejemplo hablamos de energía potencial gravitatoria la que sólo depende de la masa de la pelota , el valor de la aceleración de gravedad (que nos dice cuán rápido acelera un objeto en caída libre y denotada por ), y la altura . Esa energía quedó almacenada en la pelota y apenas la soltamos comienza a transformarse en energía cinética. Puede demostrarse que la velocidad de la pelota al chocar con el piso es , es decir, mientras más alta la torre , más rápido se moverá la pelota cuando llegue al piso.
Existen otros tipos de energía potencial, por ejemplo una flecha en un arco a punto de ser lanzada posee energía potencial elástica la que proviene del esfuerzo del arquero para estirar la cuerda, por eso Katniss Everdeen consume un buen desayuno al comienzo de los Hunger Games.

¿Por qué la energía no se crea ni destruye, sólo se transforma?

Ahora que sabemos qué son la energía potencial y cinética, volvemos al principio de conservación de energía: la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. En el ejemplo de la pelota y la torre, su energía potencial se transforma en cinética mientras cae, pero la energía total (la suma de energía cinética y potencial) es siempre la misma.
Esto nos explica en qué consiste la conservación de la energía pero no nos explica por qué la energía total se conserva. Como estudiante de física, son varios los años durante los cuales este principio es sólo eso, un principio, casi un dogma. Sin embargo en ciencia los dogmas no sirven, en ciencia uno acepta resultados experimentales y trata de describirlos usando teorías, por lo cual esperamos que un principio pueda ser el resultado de algo más fundamental. Hay que pasar por cursos de cálculo y ecuaciones diferenciales para poder acceder a un curso de Mecánica Lagrangiana en el que al fin se comprende el origen de la conservación de la energía como una consecuencia de unos de los más importantes resultados en física teórica llamado Teorema de Noether, sin embargo voy a usar el ejemplo de la pelota y la torre para intentar explicarlo.*

Supongamos que en un mundo hipotético los físicos hacen un extraño descubrimiento: el martes de cada semana la aceleración de gravedad disminuye su valor , por ejemplo a la mitad. Esto significaría que subir la pelota hasta lo alto de la torre un día martes requeriría la mitad de energía que cualquier otro día de la semana. Aquí es donde un buen ingeniero tendría la siguiente idea: construyamos un generador de electricidad con una turbina movida por agua proveniente de lo alto de una torre.

Sistema para aprovechar hipotético cambio en la gravedad para generar electricidad gratis

Cada martes una bomba elevaría agua suficiente para el resto de la semana consumiendo una energía (donde es la masa total de agua); luego, la turbina se haría funcionar de miércoles a lunes generando una energía total igual a . Dado que es directo notar que , por lo tanto nuestro generador producirá más energía que la usada para elevar el agua hasta la torre porque durante el resto de la semana la gravedad es mayor. En otras palabras, en este mundo hipotético la energía no se conservaría! Ya que la energía final sería mayor a la energía inicial, este sistema permitiría generar más electricidad que la gastada, es decir, generaría electricidad gratis y por lo tanto un excelente negocio.

Este ejemplo dista mucho de ser una demostración del principio de la conservación de la energía, pero nos muestra que si las leyes de la física (la aceleración de gravedad en este ejemplo) fueran distintas cierto de día de la semana entonces la energía no se conservaría. Esto nos lleva a pensar que el principio de conservación de la energía está de alguna manera relacionado con el posible cambio de las leyes de la física con el tiempo. Justamente este es el motivo: la energía total de un sistema se conserva porque las leyes de la física no cambian con el tiempo. Los físicos usan palabras más complejas para decir que «la conservación de la energía se debe a que las leyes de la física son invariantes ante traslaciones temporales» lo que en español simple significa que «la energía se conserva porque las leyes de la naturaleza no cambian con el tiempo». Un sistema cambia, el universo cambia, pero las leyes de la naturaleza son las mismas hoy, hace 13 mil millones de años y serán las mismas mañana. Por lo menos eso muestran los experimentos. Justamente por esto hay muchos científicos que buscan evidencia de que las constantes de la naturaleza no son tan constantes, ya que de verificarse que las constantes (por ejemplo la velocidad de la luz o la carga eléctrica de un electrón) cambiaran levemente con el paso del tiempo, significaría que lo que llamamos conservación de la energía es en realidad una aproximación y no una ley de conservación.

Por ahora, la energía se conserva

Cada vez que aparece en los medios que un ingeniero inventó una «máquina que genera más energía de la que requiere para funcionar» los físicos arrugan el ceño, ya que de ser cierto implicaría que las leyes de la física cambian con el tiempo, cosa que ningún experimento ha mostrado hasta ahora. Muchas veces se critica a los científicos por no ser abiertos de mente ante estas posibilidades, sin embargo muchas veces no es por ser cerrado de mente sino que es debido a que estas invenciones tan espectaculares pueden contradecir ciertos principios fundamentales de los cuales el inventor y quienes leen la noticia pueden no estar enterados. Ello no significa que hay que asumir que el principio es correcto, al contrario, la ciencia avanza al testear todos estos principios una y otra vez. Por ahora no hay evidencia de que las leyes de la física cambien con el tiempo pero es importante seguir verificando esta afirmación, cosa que muchos científicos hacen hoy en día. Personalmente, mi investigación consiste en poner a prueba otro principio de la naturaleza (espero contar más detalles en el futuro). En un post anterior contaba cómo el neutrino fue literalmente inventado para explicar un fenómeno que parecía violar la conservación de la energía, y aunque algunos eminentes científicos consideraron la posibilidad de que la energía no se conservara en el decaimiento beta nuclear, Pauli y su idea del neutrino demostraron tener la razón. Hasta la fecha no hay evidencia de algún cambio en las leyes de la física con el paso del tiempo por lo que podemos no sólo decir con confianza que por ahora la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma sino que también el por qué.

Imágenes: NetPlaces, IMDb. *: este ejemplo aparece planteado por L.Lederman en su libro «Symmetry».