Deux définitions de la masse et pourquoi j'en utilise qu'une seule

Malheureusement, dans le processus de révolution scientifique qui a eu lieu avec les concepts d'espace, de temps, d'énergie, d'élan et de masse, Einstein a, entre autres choses, laissé derrière lui deux définitions différentes et contradictoires de la masse. Pour cette raison, tout ce que nous disons et signifions peut être interprété de deux manières très différentes. De plus, il n'y a pas de confusion directe en physique. Les spécialistes savent exactement ce qui est en jeu et savent comment faire des prédictions et utiliser les équations appropriées. Toute la question n'est que dans le sens du mot lui-même. Mais les mots sont importants, surtout quand on parle de physique avec des gens qui ne sont pas des experts dans ce domaine, et avec des étudiants pour qui les équations ne sont pas encore complètement comprises.

Dans mes articles par «masse» j'entends la propriété d'un objet, qui est parfois aussi appelée «masse invariante» ou «masse au repos». Pour mes collègues en physique des particules, ce n'est qu'une bonne vieille "masse". Les termes «masse invariante» ou «masse au repos» sont utilisés pour clarifier ce que vous entendez par «masse» uniquement si vous insistez pour introduire une deuxième quantité, que vous voulez également appeler «masse», qui est généralement appelée « masse relativiste. " Les experts en physique des particules évitent cette confusion en n'utilisant pas du tout le concept de «masse relativiste».


La masse au repos est meilleure que la relativisme en ce que la première masse est une propriété sur laquelle tous les observateurs sont d'accord. Les objets n'ont pas beaucoup de ces propriétés. Prenez la vitesse d'un objet: différents observateurs sont en désaccord sur la vitesse. Ici, la voiture va - à quelle vitesse ça va? De votre point de vue, si vous vous tenez sur une route, disons qu'elle se déplace à une vitesse de 80 km / h. Du point de vue du conducteur de la voiture, elle ne bouge pas, mais vous bougez. Du point de vue d'une personne se dirigeant vers une voiture, celle-ci peut déjà se déplacer à une vitesse de 150 km / h. Il s'avère que la vitesse est une valeur relative. Cela n'a aucun sens de poser des questions sur la vitesse de la machine, car vous ne pouvez pas obtenir de réponse. Vous devez vous demander quelle est la vitesse de l'objet par rapport à un observateur particulier. Chaque observateur a le droit de faire cette mesure, mais différents observateurs obtiendront des résultats différents. Le principe de relativité de Galilée incluait déjà cette idée.

La dépendance à l'égard de l'observateur est applicable à la fois à l'énergie et à l'élan. Cela s'applique à la masse relativiste. En effet, la masse relativiste est égale à l'énergie divisée par une constante - à savoir, à partir de ² - donc, si vous définissez la masse comme «relativiste», différents observateurs ne s'entendent pas sur la masse de l'objet m, bien que tout le monde convienne que E = m ² .

Mais la masse au repos, que j'appelle simplement «masse», ne dépend pas de l'observateur, elle est donc parfois appelée masse invariante. Tous les observateurs s'accordent sur la masse de l'objet m ainsi définie. Et tous les observateurs conviendront que si vous vous reposez par rapport à un objet, son énergie mesurée par vous sera égale à mc ² , sinon l'énergie différera considérablement. Total: avec la définition de la masse que j'utilise dans les articles,

• Si la vitesse de l'objet par rapport à l'observateur est v = 0, alors l'observateur mesurera que l'objet a E = mc ² et l'élan p = 0.
• Si à la place l'objet se déplace par rapport à l'observateur, alors il mesurera que E> mc ² , et l'élan est également supérieur à zéro (p> 0).
• Dans le cas général, les relations entre E, p, m et v sont données par deux équations:
ov = pc / E
o $$$E ^ 2 - (pc) ^ 2 = (mc ^ 2) ^ 2$
• ce qui est cohérent avec les deux déclarations précédentes, car si p = 0, alors v = 0 et $$$E_2 = (mc_2) _2$ (donc E = mc ² ), et si p> 0, alors v> 0 et (puisque pc> 0) E doit être supérieur à mc ²

Ces équations et leur représentation graphique sont discutées en détail dans un autre article .

Je veux vous faire comprendre les raisons pour lesquelles les scientifiques des particules utilisent ces équations et ne pensent pas que l'équation E = mc ^{2 soit} toujours vraie. Cette équation se réfère au cas où l'observateur ne bouge pas par rapport à l'objet. J'essaierai de le faire en posant quelques questions, dont les réponses varient grandement selon le choix du sens du mot "masse". Cela vous aidera à attirer votre attention sur les grands problèmes dans le cas de deux définitions concurrentes de la masse et à expliquer pourquoi il est beaucoup plus facile de travailler avec la physique des particules indépendamment de l'observateur en physique des particules.

Est-ce que la particule de lumière, photon, masse ou non?

Si vous utilisez ma définition de la masse, alors non. Un photon est une particule sans masse, donc sa vitesse est toujours égale à la limite de vitesse universelle c. Mais l'électron a une masse, donc sa vitesse est toujours inférieure à s. La masse de tous les électrons est de 0,000511 GeV / c ² .

Mais si vous parlez de la masse relativiste, alors oui. Un photon a toujours de l'énergie, donc il a toujours de la masse. Aucun observateur ne le verra sans masse. Son zéro n'est qu'une masse invariante, également connue sous le nom de masse au repos. Chaque électron aura sa propre masse et chaque photon aura sa propre masse. Un électron et un photon ayant la même énergie auront, selon cette définition, la même masse. Certains photons auront plus de masse que certains électrons, tandis que d'autres électrons auront plus de masse que d'autres photons. Pour aggraver les choses, pour un observateur la masse d'un certain électron sera supérieure à la masse d'un certain photon, et pour un autre, tout pourrait être l'inverse! Par conséquent, la masse relativiste conduit à la confusion.

La masse de l'électron est-elle vraiment supérieure à la masse du noyau atomique?

Si vous utilisez ma définition de la masse, alors non, jamais. Tous les observateurs conviendront que la masse d'un électron est 1800 fois inférieure à la masse d'un proton ou d'un neutron qui constitue le noyau.

Mais si, en masse, nous entendons relativiste, alors la réponse sera: cela dépend de la situation. La masse de l'électron au repos est moindre. Un électron très rapide en a plus. Vous pouvez même tout arranger de telle sorte que la masse de l'électron coïncide exactement avec la masse du noyau sélectionné. En général, nous pouvons seulement dire que la masse au repos de l'électron est inférieure à la masse au repos du noyau.

Le neutrino a-t-il une masse?

En utilisant mon concept de masse, la réponse à cette question était inconnue des années 1930, lorsque le concept de neutrinos a été proposé pour la première fois, jusqu'aux années 1990. Aujourd'hui, nous savons (presque certainement) que les neutrinos ont une masse.

Mais si par masse nous entendons relativiste, alors la réponse sera: naturellement, nous le savions depuis le tout premier jour de l'existence du concept de "neutrino". Tous les neutrinos ont de l'énergie, donc comme les photons, ils ont une masse. La seule question est la présence d'une masse invariante.

Toutes les particules du même type - par exemple, tous les photons, tous les électrons, tous les protons, tous les muons - ont-elles la même masse?

En utilisant mon concept de masse, la réponse à cette question sera affirmative. Toutes les particules du même type ont la même masse.

Mais si, en masse, nous voulons dire relativiste, alors la réponse sera: évidemment, non. Deux électrons se déplaçant à des vitesses différentes ont des masses différentes. Ils n'ont que la même masse invariante.

L'ancienne formule newtonienne F = ma est-elle vraie, corrélant la masse, l'impact et l'accélération?

Lorsque j'utilise mon concept de masse, la réponse sera: non. Dans la version Einstein de la relativité, cette formule est corrigée.

Mais si, en masse, nous entendons relativiste, alors la réponse sera: cela dépend de la situation. Si les vecteurs, la force et le mouvement des particules sont perpendiculaires, alors oui; sinon, non.

La masse des particules augmente-t-elle avec l'augmentation de la vitesse et de l'énergie?

Lorsque j'utilise mon concept de masse, la réponse sera: non. Voir le tableau ci-dessus. Différents observateurs peuvent attribuer une énergie différente à une particule, mais tout le monde sera d'accord avec sa masse.

Mais si, par masse, nous entendons relativiste, alors la réponse sera: oui. Différents observateurs peuvent attribuer une énergie différente à une particule, et donc des masses différentes. Ils ne s'entendent que sur la masse invariante.

Donc, au moins, nous voyons la présence d'un problème linguistique. Si nous n'indiquons pas exactement laquelle des définitions de la masse que nous utilisons, nous obtiendrons des réponses complètement différentes aux questions les plus simples de la physique. Malheureusement, dans la plupart des livres pour les non-professionnels et même dans certains manuels pour la première année d'université (!), Les auteurs alternent entre ces termes sans explication. Et la confusion la plus courante chez mes lecteurs est liée au fait qu'on leur dit deux types d'informations sur la masse qui se contredisent: l'une convient à la masse de repos, l'autre est relativiste. Il est très mauvais d'utiliser un mot pour deux choses différentes.

Bien sûr, ce n'est qu'une langue. Vous pouvez tout faire avec la langue. Les définitions et la sémantique n'ont pas d'importance. Lorsqu'un physicien est armé d'équations, le langage devient un porteur imparfait. Les mathématiques ne sont jamais confuses, et une personne qui comprend les mathématiques ne sera pas confuse non plus.

Mais pour la plupart des gens et pour les étudiants débutants, c'est un cauchemar.

Que faire Une option consiste à insister sur l'utilisation de tous les termes possibles. Mais à cause de cela, les explications seront très déroutantes.

• L'énergie d'un objet stationnaire = temps de masse invariant c ² = temps de masse relativiste c ²
• La masse d'un objet en mouvement = masse invariante, comme précédemment, mais l'énergie = masse relativiste multipliée par s ² est plus importante qu'auparavant à cause de l'énergie du mouvement.

C'est trop verbeux. Mes collègues et moi disons simplement:

• Pour un objet de masse m au repos, l'énergie E est mc ² ,
• tandis que dans un objet en mouvement, la masse est toujours égale à m, et l'énergie E est supérieure à mc ² exactement par l'énergie du mouvement.

Cette méthode n'est pas moins significative, elle utilise moins de concepts et de définitions différents, elle évite deux sens contradictoires du mot "masse", dont l'un ne change pas avec le mouvement, et l'autre - change.

Du point de vue de la linguistique, de la sémantique et des concepts, il est nécessaire d'éviter le concept de "masse relativiste" et de supprimer les mots "invariant" et "repos" des définitions de "masse invariante" et "masse de repos" car la "masse relativiste" est un concept inutile. Ceci est juste un autre nom pour l'énergie des particules. Utiliser le concept de «masse relativiste» revient à insister sur le terme «bleu rougeâtre». Si je commence à insister sur l'utilisation du terme «bleu rougeâtre» pour décrire les raisins secs, vous vous opposerez: mais nous avons déjà un mot pour cette couleur: magenta. Qu'est-ce qui ne va pas avec lui? Et vous pouvez aussi dire: «Dire que la couleur des raisins secs est une sorte de bleu est faux et c'est déroutant. Nous pouvons conclure que la couleur des raisins secs est un peu comme la couleur du ciel, mais en fait, ils diffèrent. " Dans la même veine, la masse relativiste multipliée par c ² n'est qu'un autre nom pour l'énergie (pour laquelle nous avons déjà un mot approprié), et décrire l'énergie comme si c'était quelque chose comme la masse signifie confondre le lecteur.

Voici une autre raison pour laquelle appeler l'énergie une forme de masse est mauvais. Dans les équations d'Einstein, l'espace et le temps sont connectés ensemble de la même manière que l'énergie et l'élan. Vous vous souvenez même que l' énergie est économisée en raison de l'indépendance des lois de la physique de temps en temps , et de l'élan - en raison de l'indépendance des lois de l'endroit. Par conséquent, si nous disons que la masse est E / c ² , alors qu'est-ce que p / c? Cela doit signifier quelque chose. Quoi exactement? Mais personne n'a donné de nom à ce nom. Pourquoi? Parce que «momentum» est un bon nom pour p et pour p / c, le nom n'est pas nécessaire. Alors pourquoi «l'énergie» ne convient-elle pas à E? Pourquoi avons-nous besoin d'un nouveau nom pour E / c ² ? Surtout quand on considère que dans l'équation avec E et p une autre quantité apparaît:

$$

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

La valeur de droite n'a clairement pas besoin d'un nouveau nom, car ce n'est clairement ni E ni p - elle n'est pas enregistrée sous E et p, mais elle ne dépend pas de l'observateur (contrairement à E et p!)

Le concept de «masse relativiste» n'est pas apparu de toutes pièces et n'est pas né d'une sorte de stupidité. Il a été introduit par Einstein lui-même, et pas en vain, car il traitait de la relation entre l'énergie d'un système d'objets et la masse de ce système. Mais bien que le concept de masses relativistes ait été propagé et diffusé par d'autres physiciens célèbres de l'époque, Einstein lui-même, apparemment, a rejeté une telle façon de penser, et pas en vain. La communauté des experts modernes en physique des particules a fait de même.

Dans les articles et les études, je n'utilise jamais la masse relativiste. J'utilise plutôt de l'énergie, car pour une particule, la masse relativiste elle-même n'est que de l'énergie divisée par c ² . Et par «masse», j'entends toujours «masse invariante», ou «masse au repos», sur laquelle convergent tous les observateurs. La masse d'un électron est toujours de 0,000511 GeV / c ² , quelle que soit sa vitesse de déplacement. La masse de tout électron est inférieure à la masse du noyau atomique. Tous les photons dans le vide sont toujours sans masse. Et la masse des particules de Higgs est de 125 GeV / c ² , quelle que soit leur vitesse. Les experts en physique des particules utilisent un tel arrangement linguistique et conceptuel. Ce n'est pas nécessaire, vous pouvez faire un autre choix. Mais cette approche nous permet d'éviter de nombreux problèmes pratiques et conceptuels, que j'ai essayé de montrer ici.