Zwei Definitionen von Masse und warum ich nur eine davon benutze

Leider hinterließ Einstein im Prozess der Revolution in der Wissenschaft, der mit den Konzepten Raum, Zeit, Energie, Impuls und Masse stattfand, unter anderem zwei unterschiedliche und widersprüchliche Definitionen von Masse. Aus diesem Grund kann alles, was wir sagen und meinen, auf zwei sehr unterschiedliche Arten interpretiert werden. Darüber hinaus gibt es keine Verwirrung direkt in der Physik. Spezialisten wissen genau, worum es geht, und sie wissen, wie man Vorhersagen trifft und die entsprechenden Gleichungen verwendet. Die ganze Frage ist nur im Sinne des Wortes selbst. Aber Worte sind wichtig, besonders wenn wir mit Menschen, die keine Experten auf diesem Gebiet sind, und mit Studenten, für die die Gleichungen noch nicht vollständig verstanden sind, über Physik sprechen.

In meinen Artikeln meine ich mit "Masse" die Eigenschaft eines Objekts, die manchmal auch als "invariante Masse" oder "Ruhemasse" bezeichnet wird. Für meine Kollegen in der Teilchenphysik ist dies nur eine gute alte "Masse". Die Begriffe „invariante Masse“ oder „Ruhemasse“ werden nur verwendet, um zu verdeutlichen, was Sie unter „Masse“ verstehen, wenn Sie darauf bestehen, eine zweite Größe einzuführen, die Sie auch als „Masse“ bezeichnen möchten, die normalerweise als „Masse“ bezeichnet wird. relativistische Masse. " Experten der Teilchenphysik vermeiden diese Verwirrung, indem sie das Konzept der „relativistischen Masse“ überhaupt nicht verwenden.


Die Ruhemasse ist insofern besser als die relativistische, als die erste Masse eine Eigenschaft ist, über die sich alle Beobachter einig sind. Objekte haben nicht viele dieser Eigenschaften. Nehmen Sie die Geschwindigkeit eines Objekts: Verschiedene Beobachter sind sich nicht einig über die Geschwindigkeit. Hier fährt das Auto - wie schnell geht es? Wenn Sie aus Ihrer Sicht auf einer Straße stehen, nehmen wir an, sie fährt mit einer Geschwindigkeit von 80 km / h. Aus Sicht des Fahrers des Autos bewegt es sich nicht, aber Sie bewegen sich. Aus der Sicht einer Person, die auf ein Auto zusteuert, kann es sich bereits mit einer Geschwindigkeit von 150 km / h bewegen. Es stellt sich heraus, dass die Geschwindigkeit ein relativer Wert ist. Es macht keinen Sinn, nach der Geschwindigkeit der Maschine zu fragen, da Sie keine Antwort erhalten können. Sie sollten fragen, wie schnell das Objekt relativ zu einem bestimmten Beobachter ist. Jeder Beobachter hat das Recht, diese Messung durchzuführen, aber verschiedene Beobachter erhalten unterschiedliche Ergebnisse. Galileos Relativitätsprinzip beinhaltete diese Idee bereits.

Die Abhängigkeit vom Beobachter gilt sowohl für Energie als auch für Impuls. Es gilt für die relativistische Masse. Dies liegt daran, dass die relativistische Masse gleich der Energie ist, die durch eine Konstante geteilt wird - nämlich von ² -. Wenn Sie also die Masse als „relativistisch“ definieren, sind sich verschiedene Beobachter über die Masse des Objekts m nicht einig, obwohl alle zustimmen, dass E = m ² .

Aber die Ruhemasse, die ich einfach "Masse" nenne, hängt nicht vom Beobachter ab, deshalb wird sie manchmal als invariante Masse bezeichnet. Alle Beobachter sind sich über die auf diese Weise definierte Masse des Objekts m einig. Und alle Beobachter sind sich einig, dass, wenn Sie sich relativ zu einem Objekt ausruhen, die von Ihnen gemessene Energie gleich mc ² ist und sich die Energie ansonsten stark unterscheidet. Insgesamt: mit der Definition der von mir in den Artikeln verwendeten Masse,

• Wenn die Geschwindigkeit des Objekts relativ zum Beobachter v = 0 ist, misst der Beobachter, dass das Objekt E = mc ² und der Impuls p = 0 hat.
• Wenn sich das Objekt stattdessen relativ zum Beobachter bewegt, misst es, dass E> mc ² ist und der Impuls ebenfalls größer als Null ist (p> 0).
• Im allgemeinen Fall sind die Beziehungen zwischen E, p, m und v durch zwei Gleichungen gegeben:
ov = pc / E.
o $$$E ^ 2 - (pc) ^ 2 = (mc ^ 2) ^ 2$
• was mit den beiden vorherigen Aussagen übereinstimmt, denn wenn p = 0, dann ist v = 0 und $$$E_2 = (mc_2) _2$(daher ist E = mc ² ), und wenn p> 0, dann sollte v> 0 und (da pc> 0) E größer als mc ^{2 sein}

Diese Gleichungen und ihre grafische Darstellung werden in einem anderen Artikel ausführlich erläutert.

Ich möchte Ihnen die Gründe erklären, warum Teilchenwissenschaftler diese Gleichungen verwenden und nicht glauben, dass die Gleichung E = mc ² immer wahr ist. Diese Gleichung bezieht sich auf den Fall, in dem sich der Beobachter nicht in Bezug auf das Objekt bewegt. Ich werde versuchen, dies zu tun, indem ich ein paar Fragen stelle, deren Antworten je nach Wahl der Bedeutung des Wortes "Masse" sehr unterschiedlich sind. Dies wird dazu beitragen, Ihre Aufmerksamkeit auf die großen Probleme bei zwei konkurrierenden Definitionen von Masse zu lenken und zu erklären, warum es viel einfacher ist, mit der Teilchenphysik unabhängig vom Beobachter in der Teilchenphysik zu arbeiten.

Ist das Teilchen aus Licht, Photon, Masse oder nicht?

Wenn Sie meine Definition von Masse verwenden, dann nein. Ein Photon ist ein masseloses Teilchen, daher ist seine Geschwindigkeit immer gleich der universellen Geschwindigkeitsgrenze c. Aber das Elektron hat Masse, so dass seine Geschwindigkeit immer kleiner als s ist. Die Masse aller Elektronen beträgt 0,000511 GeV / c ² .

Aber wenn Sie die relativistische Masse meinen, dann ja. Ein Photon hat immer Energie, also immer Masse. Kein einziger Beobachter wird ihn masselos sehen. Seine Null ist nur eine invariante Masse, auch als Ruhemasse bekannt. Jedes Elektron hat seine eigene Masse und jedes Photon hat seine eigene. Ein Elektron und ein Photon mit der gleichen Energie haben nach dieser Definition die gleiche Masse. Einige Photonen haben mehr Masse als einige Elektronen, während andere Elektronen mehr Masse als andere Photonen haben. Erschwerend kommt hinzu, dass für einen Beobachter die Masse eines bestimmten Elektrons größer ist als die Masse eines bestimmten Photons, und für einen anderen könnte alles umgekehrt sein! Daher führt die relativistische Masse zu Verwirrung.

Ist die Masse des Elektrons wirklich größer als die Masse des Atomkerns?

Wenn Sie meine Definition von Masse verwenden, dann nein, niemals. Alle Beobachter sind sich einig, dass die Masse eines Elektrons 1800-mal geringer ist als die Masse eines Protons oder Neutrons, aus dem der Kern besteht.

Aber wenn wir mit Masse relativistisch meinen, dann lautet die Antwort: Es hängt von der Situation ab. Die Masse des ruhenden Elektrons ist geringer. Ein sehr schnelles Elektron hat mehr. Sie können sogar alles so anordnen, dass die Masse des Elektrons genau mit der Masse des ausgewählten Kerns übereinstimmt. Im Allgemeinen können wir nur sagen, dass die Ruhemasse des Elektrons geringer ist als die Ruhemasse des Kerns.

Hat Neutrino Masse?

Unter Verwendung meines Massenkonzepts war die Antwort auf diese Frage von den 1930er Jahren, als das Konzept der Neutrinos erstmals vorgeschlagen wurde, bis in die 1990er Jahre unbekannt. Heute wissen wir (mit ziemlicher Sicherheit), dass Neutrinos Masse haben.

Aber wenn wir mit Masse relativistisch meinen, dann lautet die Antwort: Natürlich wussten wir vom ersten Tag der Existenz des Konzepts des "Neutrinos" an davon. Alle Neutrinos haben Energie, also haben sie wie Photonen Masse. Die einzige Frage ist das Vorhandensein einer invarianten Masse.

Haben alle Teilchen des gleichen Typs - zum Beispiel alle Photonen, alle Elektronen, alle Protonen, alle Myonen - die gleiche Masse?

Unter Verwendung meines Massenbegriffs wird die Antwort auf diese Frage bejaht. Alle Partikel des gleichen Typs haben die gleiche Masse.

Aber wenn wir mit Masse relativistisch meinen, dann lautet die Antwort: offensichtlich nein. Zwei Elektronen, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen, haben unterschiedliche Massen. Sie haben nur die gleiche invariante Masse.

Ist die alte Newtonsche Formel F = ma wahr und korreliert Masse, Aufprall und Beschleunigung?

Wenn ich mein Massenkonzept verwende, lautet die Antwort: Nein. In der Einstein-Version der Relativitätstheorie wird diese Formel korrigiert.

Aber wenn wir mit Masse relativistisch meinen, dann lautet die Antwort: Es hängt von der Situation ab. Wenn die Vektoren Kraft und Teilchenbewegung senkrecht sind, dann ja; sonst nein.

Steigt die Partikelmasse mit zunehmender Geschwindigkeit und Energie?

Wenn ich mein Massenkonzept verwende, lautet die Antwort: Nein. Siehe die obige Tabelle. Verschiedene Beobachter können einem Teilchen eine andere Energie zuweisen, aber jeder wird seiner Masse zustimmen.

Aber wenn wir mit Masse relativistisch meinen, dann lautet die Antwort: Ja. Unterschiedliche Beobachter können einem Teilchen eine unterschiedliche Energie und damit unterschiedliche Massen zuweisen. Sie stimmen nur über die invariante Masse überein.

Zumindest sehen wir also das Vorhandensein eines sprachlichen Problems. Wenn wir nicht genau angeben, welche der Definitionen der Masse wir verwenden, erhalten wir völlig unterschiedliche Antworten auf die einfachsten Fragen der Physik. Leider wechseln die Autoren in den meisten Büchern für Laien und sogar in einigen Lehrbüchern für das erste Studienjahr (!) Ohne Erklärung zwischen diesen Begriffen hin und her. Und die häufigste Verwirrung unter meinen Lesern hängt mit der Tatsache zusammen, dass ihnen zwei Arten von Informationen über die Masse mitgeteilt werden, die sich widersprechen: eine ist für die Masse der Ruhe geeignet, die andere ist relativistisch. Es ist sehr schlecht, ein Wort für zwei verschiedene Dinge zu verwenden.

Dies ist natürlich nur eine Sprache. Mit der Sprache kann man alles machen. Definitionen und Semantik spielen keine Rolle. Wenn ein Physiker mit Gleichungen bewaffnet ist, wird die Sprache zu einem unvollkommenen Träger. Mathematik ist niemals verwirrt, und eine Person, die Mathematik versteht, wird auch nicht verwirrt.

Aber für die meisten Menschen und für Anfänger ist dies ein Albtraum.

Was zu tun ist? Eine Möglichkeit besteht darin, darauf zu bestehen, alle möglichen Begriffe zu verwenden. Aus diesem Grund werden die Erklärungen sehr verwirrend sein.

• Die Energie eines stationären Objekts = invariante Masse mal c ² = relativistische Masse mal c ²
• Die Masse eines sich bewegenden Objekts = invariante Masse wie zuvor, aber die Energie = relativistische Masse multipliziert mit s ² ist aufgrund der Bewegungsenergie größer als zuvor.

Das ist zu ausführlich. Meine Kollegen und ich sagen nur:

• Für ein ruhendes Objekt der Masse m beträgt die Energie E mc ² ,
• In einem sich bewegenden Objekt ist die Masse immer noch gleich m und die Energie E ist genau um die Bewegungsenergie größer als mc ² .

Diese Methode ist nicht weniger aussagekräftig, sie verwendet weniger unterschiedliche Konzepte und Definitionen, sie vermeidet zwei widersprüchliche Bedeutungen des Wortes "Masse", von denen sich eine nicht mit der Bewegung ändert und die andere sich ändert.

Aus sprachlicher, semantischer und konzeptioneller Sicht ist es notwendig, das Konzept der „relativistischen Masse“ zu vermeiden und die Wörter „invariant“ und „rest“ aus den Definitionen von „invariant mass“ und „rest mass“ zu entfernen, da „relativistic mass“ ein nutzloses Konzept ist. Dies ist nur ein anderer Name für Teilchenenergie. Das Konzept der „relativistischen Masse“ zu verwenden, ist dasselbe wie auf dem Begriff „rötlich blau“ zu bestehen. Wenn ich darauf bestehe, den Begriff „Rotblau“ zur Beschreibung von Rosinen zu verwenden, werden Sie Einwände erheben: Aber wir haben bereits ein Wort für diese Farbe: Magenta. Was ist los mit ihm? Und Sie können auch sagen: „Zu sagen, dass die Farbe von Rosinen eine Art Blau ist, ist falsch und verwirrend. Wir können daraus schließen, dass die Farbe der Rosinen ein bisschen der Farbe des Himmels entspricht, aber tatsächlich unterscheiden sie sich. “ In etwa der gleichen Weise ist die relativistische Masse multipliziert mit c ² nur ein anderer Name für Energie (für die wir bereits ein geeignetes Wort haben), und Energie so zu beschreiben, als wäre sie so etwas wie Masse, bedeutet, den Leser zu verwirren.

Hier ist ein weiterer Grund, warum es schlecht ist, Energie als Massenform zu bezeichnen. In Einsteins Gleichungen sind Raum und Zeit wie Energie und Impuls miteinander verbunden. Sie können sich sogar daran erinnern, dass Energie durch die Unabhängigkeit der Gesetze der Physik von Zeit zu Zeit und durch die Unabhängigkeit der Gesetze vom Ort eingespart wird . Wenn wir also sagen, dass Masse E / c ^{2 ist} , was ist dann p / c? Es muss etwas bedeuten. Was genau? Aber niemand gab diesem Namen einen Namen. Warum? Da "Momentum" ein guter Name für p und für p / c ist, wird der Name nicht benötigt. Warum ist „Energie“ nicht für E geeignet? Warum brauchen wir einen neuen Namen für E / c ² ? Besonders wenn man bedenkt, dass in der Gleichung mit E und p eine andere Größe erscheint:

$$

$$E ^ 2 - (pc) ^ 2 = (mc ^ 2) ^ 2$$

Der Wert auf der rechten Seite benötigt eindeutig keinen neuen Namen, da er eindeutig weder E noch p ist - er wird nicht als E und p gespeichert, hängt aber nicht vom Beobachter ab (im Gegensatz zu E und p!).

Das Konzept der „relativistischen Masse“ erschien nicht von Grund auf neu und nicht aus irgendeiner Art von Dummheit. Es wurde von Einstein selbst eingeführt und nicht umsonst, da er sich mit der Beziehung zwischen der Energie eines Objektsystems und der Masse dieses Systems befasste. Aber obwohl das Konzept der relativistischen Massen von anderen berühmten Physikern dieser Zeit propagiert und verbreitet wurde, lehnte Einstein selbst anscheinend eine solche Denkweise ab und auch nicht umsonst. Die Gemeinschaft der modernen Experten der Teilchenphysik tat dasselbe.

In Artikeln und Studien verwende ich niemals die relativistische Masse. Ich benutze stattdessen Energie, weil für ein Teilchen die relativistische Masse selbst nur Energie geteilt durch c ^{2 ist} . Und mit "Masse" meine ich immer "invariante Masse" oder "Ruhemasse", auf die alle Beobachter zusammenlaufen. Die Masse eines Elektrons beträgt immer 0,000511 GeV / c ² , egal wie schnell es sich bewegt. Die Masse eines Elektrons ist geringer als die Masse des Atomkerns. Alle Photonen in der Leere sind immer masselos. Und die Masse der Higgs-Teilchen beträgt 125 GeV / c ² , unabhängig von ihrer Geschwindigkeit. Experten der Teilchenphysik verwenden eine solche sprachliche und konzeptionelle Anordnung. Es ist nicht notwendig, Sie können eine andere Wahl treffen. Dieser Ansatz ermöglicht es uns jedoch, viele praktische und konzeptionelle Probleme zu vermeiden, die ich hier zu zeigen versuchte.