Desafortunadamente, en el proceso de revolución en la ciencia, que ocurrió con los conceptos de espacio, tiempo, energía, impulso y masa, Einstein, entre otras cosas, dejó atrás dos definiciones diferentes y conflictivas de masa. Debido a esto, todo lo que decimos y queremos decir se puede interpretar de dos maneras muy diferentes. Además, no hay confusión directamente en física. Los especialistas saben exactamente lo que está en juego, y saben cómo hacer predicciones y usar las ecuaciones apropiadas. Toda la pregunta es solo en el significado de la palabra misma. Pero las palabras son importantes, especialmente cuando hablamos de física con personas que no son expertas en este campo, y con estudiantes para quienes las ecuaciones aún no se comprenden completamente.
En mis artículos por "masa" me refiero a la propiedad de un objeto, que a veces también se llama "masa invariante" o "masa en reposo". Para mis colegas en física de partículas, esta es simplemente una buena "masa". Los términos "masa invariante" o "masa en reposo" se usan para aclarar lo que quiere decir con "masa" solo si insiste en introducir una segunda cantidad, que también quiere llamar "masa", que generalmente se llama " masa relativista ". Los expertos en física de partículas evitan esta confusión al no utilizar el concepto de "masa relativista" en absoluto.
La masa en reposo es mejor que la relativista en que la primera masa es una propiedad sobre la cual todos los observadores están de acuerdo. Los objetos no tienen muchas de estas propiedades. Tome la velocidad de un objeto: diferentes observadores no están de acuerdo sobre la velocidad. Aquí va el auto, ¿qué tan rápido va? Desde su punto de vista, si está parado en una carretera, digamos que viaja a una velocidad de 80 km / h. Desde el punto de vista del conductor del automóvil, no se mueve, pero tú te mueves. Desde el punto de vista de una persona que viaja hacia un automóvil, ya puede moverse a una velocidad de 150 km / h. Resulta que la velocidad es un valor relativo. No tiene sentido preguntar sobre la velocidad de la máquina, porque no puede obtener una respuesta. Debe preguntar cuál es la velocidad del objeto en relación con un observador en particular. Cada observador tiene derecho a realizar esta medición, pero diferentes observadores obtendrán resultados diferentes. El principio de relatividad de Galileo ya incluía esta idea.
La dependencia del observador es aplicable tanto a la energía como al momento. Se aplica a la masa relativista. Esto se debe a que la masa relativista es igual a la energía dividida por una constante, es decir, a partir de
2 , por lo tanto, si define la masa como "relativista", los diferentes observadores no estarán de acuerdo sobre la masa del objeto m, aunque todos estarán de acuerdo en que E = m
2)Pero la masa en reposo, que yo llamo simplemente "masa", no depende del observador, por lo tanto, a veces se le llama masa invariante. Todos los observadores están de acuerdo en la masa del objeto m definida de esta manera. Y todos los observadores estarán de acuerdo en que si está descansando en relación con un objeto, su energía medida por usted será igual a mc
2 , y de lo contrario la energía será muy diferente. Total: con la definición de la masa utilizada por mí en los artículos,
• Si la velocidad del objeto con respecto al observador es v = 0, entonces el observador medirá que el objeto tiene E = mc
2 y el momento p = 0.
• Si, en cambio, el objeto se mueve en relación con el observador, entonces medirá que E> mc
2 , y el impulso también es mayor que cero (p> 0).
• En el caso general, las relaciones entre E, p, myv están dadas por dos ecuaciones:
ov = pc / E
o
• que es consistente con las dos declaraciones anteriores, porque si p = 0, entonces v = 0 y
(por lo tanto, E = mc
2 ), y si p> 0, entonces v> 0 y (dado que pc> 0) E debería ser mayor que mc
2Estas ecuaciones y su representación gráfica se analizan
en detalle
en otro artículo .
Quiero hacerle entender las razones por las cuales los científicos de partículas usan estas ecuaciones y no piensan que la ecuación E = mc
2 siempre
es cierta. Esta ecuación se refiere al caso en el que el observador no se mueve con respecto al objeto. Intentaré hacer esto haciendo algunas preguntas, cuyas respuestas varían mucho dependiendo de la elección del significado de la palabra "masa". Esto ayudará a llamar su atención sobre los grandes problemas en el caso de dos definiciones competitivas de masa y a explicar por qué es mucho más fácil trabajar con física de partículas independientemente del observador en física de partículas.
¿La partícula de luz, fotón, masa o no?
Si usa mi definición de masa, entonces no. Un fotón es una partícula sin masa, por lo tanto, su velocidad siempre es igual al límite de velocidad universal c. Pero el electrón tiene masa, por lo que su velocidad siempre es menor que s. La masa de todos los electrones es 0.000511 GeV / c
2 .
Pero si te refieres a la masa relativista, entonces sí. Un fotón siempre tiene energía, por lo que siempre tiene masa. Ningún observador lo verá sin masa. Su cero es solo una masa invariante, también conocida como masa en reposo. Cada electrón tendrá su propia masa, y cada fotón tendrá la suya. Un electrón y un fotón que tengan la misma energía tendrán, según esta definición, la misma masa. Algunos fotones tendrán más masa que algunos electrones, mientras que otros tendrán más masa que otros fotones. Para empeorar las cosas, para un observador, la masa de un determinado electrón será mayor que la masa de un determinado fotón, y para otro, ¡todo podría ser al revés! Por lo tanto, la masa relativista conduce a la confusión.
¿Es la masa del electrón realmente mayor que la masa del núcleo atómico?
Si usa mi definición de masa, entonces no, nunca. Todos los observadores estarán de acuerdo en que la masa de un electrón es 1800 veces menor que la masa de un protón o neutrón que forma el núcleo.
Pero si por masa queremos decir relativista, entonces la respuesta será: depende de la situación. La masa del electrón en reposo es menor. Un electrón muy rápido tiene más. Incluso puede organizar todo de tal manera que la masa del electrón coincida exactamente con la masa del núcleo seleccionado. En general, solo podemos decir que la masa en reposo del electrón es menor que la masa en reposo del núcleo.
¿El neutrino tiene masa?
Utilizando mi concepto de masa, la respuesta a esta pregunta era desconocida desde la década de 1930, cuando se propuso por primera vez el concepto de neutrinos, hasta la década de 1990. Hoy sabemos (casi con certeza) que los neutrinos tienen masa.
Pero si por masa queremos decir relativista, entonces la respuesta será: naturalmente, lo supimos desde el primer día de la existencia del concepto de "neutrino". Todos los neutrinos tienen energía, por lo que, como los fotones, tienen masa. La única pregunta es la presencia de una masa invariante.
¿Todas las partículas del mismo tipo, por ejemplo, todos los fotones, todos los electrones, todos los protones, todos los muones, tienen la misma masa?
Usando mi concepto de masa, la respuesta a esta pregunta será afirmativa. Todas las partículas del mismo tipo tienen la misma masa.
Pero si por masa queremos decir relativista, entonces la respuesta será: obviamente, no. Dos electrones que se mueven a diferentes velocidades tienen masas diferentes. Tienen la misma masa invariante solamente.
¿Es verdadera la antigua fórmula newtoniana F = ma, correlacionando masa, impacto y aceleración?
Cuando use mi concepto de masa, la respuesta será: no. En la versión de Einstein de la relatividad, esta fórmula está corregida.
Pero si por masa queremos decir relativista, entonces la respuesta será: depende de la situación. Si los vectores, la fuerza y el movimiento de las partículas son perpendiculares, entonces sí; de lo contrario, no.
¿La masa de partículas aumenta con el aumento de la velocidad y la energía?
Cuando use mi concepto de masa, la respuesta será: no. Ver la tabla de arriba. Diferentes observadores pueden asignar una energía diferente a una partícula, pero todos estarán de acuerdo con su masa.
Pero si por masa queremos decir relativista, la respuesta será: sí. Diferentes observadores pueden asignar una energía diferente a una partícula y, por lo tanto, diferentes masas. Están de acuerdo solo en la masa invariante.
Entonces, al menos vemos la presencia de un problema lingüístico. Si no indicamos exactamente cuál de las definiciones de masa usamos, obtendremos respuestas completamente diferentes a las preguntas más simples de física. Desafortunadamente, en la mayoría de los libros para no profesionales e incluso en algunos libros de texto para el primer año de universidad (!), Los autores cambian de un término a otro sin explicación. Y la confusión más común entre mis lectores está relacionada con el hecho de que se les informa dos tipos de información sobre la masa que se contradicen entre sí: uno es adecuado para la masa de descanso, el otro es relativista. Es muy malo usar una palabra para dos cosas diferentes.
Esto, por supuesto, es solo un idioma. Puedes hacer cualquier cosa con el idioma. Las definiciones y la semántica no importan. Cuando un físico está armado con ecuaciones, el lenguaje se convierte en un portador imperfecto. Las matemáticas nunca se confunden, y una persona que las entienda tampoco se confundirá.
Pero para la mayoría de las personas y para los estudiantes principiantes, esto es una pesadilla.
Que hacer Una opción es insistir en usar todos los términos posibles. Pero debido a esto, las explicaciones serán muy confusas.
• La energía de un objeto estacionario = masa invariante por c
2 = masa relativista por c
2• La masa de un objeto en movimiento = masa invariante, como antes, pero la energía = masa relativista multiplicada por s
2 es mayor que antes debido a la energía del movimiento.
Esto es demasiado detallado. Mis colegas y yo acabamos de decir:
• Para un objeto de masa m en reposo, la energía E es mc
2 ,
• mientras está en un objeto en movimiento, la masa sigue siendo igual a m, y la energía E es mayor que mc
2 exactamente por la energía del movimiento.
Este método no es menos significativo, utiliza menos conceptos y definiciones diferentes, evita dos significados contradictorios de la palabra "masa", uno de los cuales no cambia con el movimiento, y el otro, los cambios.
Desde el punto de vista de la lingüística, la semántica y los conceptos, es necesario evitar el concepto de "masa relativista" y eliminar las palabras "invariante" y "reposo" de las definiciones de "masa invariante" y "masa en reposo" porque "masa relativista" es un concepto inútil. Este es solo otro nombre para la energía de las partículas. Usar el concepto de "masa relativista" es lo mismo que insistir en el término "azul rojizo". Si empiezo a insistir en usar el término "azul rojizo" para describir las pasas, objetarás: pero ya tenemos una palabra para este color: magenta. ¿Qué le pasa a él? Y también puede decir: “Decir que el color de las pasas es una especie de azul está mal y es confuso. Podemos concluir que el color de las pasas es un poco como el color del cielo, pero en realidad difieren ". Aproximadamente en la misma línea, la masa relativista multiplicada por c
2 es solo otro nombre para energía (para la cual ya tenemos una palabra adecuada), y describir energía como si fuera algo así como masa significa confundir al lector.
Aquí hay otra razón por la cual llamar a la energía una forma de masa es malo. En las ecuaciones de Einstein, el espacio y el tiempo están conectados entre sí de la misma manera que la energía y el momento. Incluso puede recordar que la
energía se ahorra debido a la independencia de las leyes de la física de vez en cuando , y el impulso, debido a la independencia de las leyes del lugar. Por lo tanto, si decimos que la masa es E / c
2 , entonces ¿qué es p / c? Debe significar algo. Que exactamente Pero nadie le dio un nombre a este nombre. Por qué Debido a que "momentum" es un buen nombre para p, y para p / c, el nombre no es necesario. Entonces, ¿por qué la "energía" no es adecuada para E? ¿Por qué necesitamos un nuevo nombre para E / c
2 ? Especialmente cuando considera que en la ecuación con E y p aparece otra cantidad:
El valor de la derecha claramente no necesita un nuevo nombre, ya que claramente no es E ni p, no se guarda como E y p, pero no depende del observador (¡a diferencia de E y p!)
El concepto de "masa relativista" no apareció desde cero y no por algún tipo de estupidez. Fue introducido por el propio Einstein, y no en vano, ya que se ocupó de la relación entre la energía de un sistema de objetos y la masa de este sistema. Pero aunque el concepto de masas relativistas fue propagado y difundido por otros físicos famosos de la época, el propio Einstein, aparentemente, rechazó esa forma de pensar, y tampoco en vano. La comunidad de expertos modernos en física de partículas hizo lo mismo.
En artículos y estudios, nunca uso la masa relativista. En cambio, uso energía, porque para una partícula, la masa relativista en sí misma es solo energía dividida por c
2 . Y por "masa" siempre me refiero a "masa invariante", o "masa en reposo", en la que convergen todos los observadores. La masa de un electrón siempre es 0.000511 GeV / c
2 , no importa cuán rápido se mueva. La masa de cualquier electrón es menor que la masa del núcleo atómico. Todos los fotones en el vacío son siempre sin masa. Y la masa de partículas de Higgs es de 125 GeV / c
2 , independientemente de su velocidad. Los expertos en física de partículas utilizan una disposición tan lingüística y conceptual. No es necesario, puedes hacer otra elección. Pero este enfoque nos permite evitar muchos problemas prácticos y conceptuales, que traté de mostrar aquí.