Dua definisi massa, dan mengapa saya hanya menggunakan salah satunya

Sayangnya, dalam proses revolusi dalam sains, yang terjadi dengan konsep ruang, waktu, energi, momentum, dan massa, Einstein, di antaranya, meninggalkan dua definisi massa yang berbeda dan saling bertentangan. Karena itu, semua yang kita katakan dan maksudkan dapat ditafsirkan dalam dua cara yang sangat berbeda. Selain itu, tidak ada kebingungan langsung dalam fisika. Spesialis tahu persis apa yang dipertaruhkan, dan mereka tahu bagaimana membuat prediksi dan menggunakan persamaan yang sesuai. Seluruh pertanyaan hanya dalam arti kata itu sendiri. Tetapi kata-kata itu penting, terutama ketika kita berbicara tentang fisika dengan orang-orang yang tidak ahli dalam bidang ini, dan dengan siswa yang persamaannya belum sepenuhnya dipahami.

Dalam artikel saya dengan "massa" yang saya maksud adalah properti dari suatu objek, yang kadang-kadang juga disebut "massa invarian" atau "massa sisa". Bagi kolega saya dalam fisika partikel, ini hanyalah "massa" lama yang bagus. Istilah "massa invarian" atau "massa diam" digunakan untuk mengklarifikasi apa yang Anda maksud dengan "massa" hanya jika Anda bersikeras memperkenalkan kuantitas kedua, yang juga ingin Anda sebut "massa", yang biasanya disebut "massa" massa relativistik. " Para ahli fisika partikel menghindari kebingungan ini dengan tidak menggunakan konsep "massa relativistik" sama sekali.


Massa sisanya lebih baik daripada massa relativisme karena massa pertama adalah properti yang disetujui semua pengamat. Objek tidak memiliki banyak properti ini. Ambil kecepatan suatu objek: pengamat yang berbeda tidak setuju tentang kecepatan. Ini mobilnya - seberapa cepat ia berjalan? Dari sudut pandang Anda, jika Anda berdiri di jalan, katakanlah ia bergerak dengan kecepatan 80 km / jam. Dari sudut pandang pengemudi mobil, itu tidak bergerak, tetapi Anda bergerak. Dari sudut pandang seseorang yang bepergian ke arah mobil, ia sudah dapat bergerak dengan kecepatan 150 km / jam. Ternyata kecepatan adalah nilai relatif. Tidak masuk akal untuk bertanya tentang kecepatan mesin, karena Anda tidak bisa mendapatkan jawaban. Anda harus bertanya berapa kecepatan objek relatif terhadap pengamat tertentu. Setiap pengamat memiliki hak untuk melakukan pengukuran ini, tetapi pengamat yang berbeda akan mendapatkan hasil yang berbeda. Prinsip relativitas Galileo sudah memasukkan ide ini.

Ketergantungan pada pengamat berlaku untuk energi dan momentum. Ini berlaku untuk massa relativistik. Ini karena massa relativistik sama dengan energi dibagi dengan konstanta - yaitu, dari ² - oleh karena itu, jika Anda mendefinisikan massa sebagai "relativistik", maka pengamat yang berbeda tidak setuju tentang massa benda m, meskipun semua orang akan setuju bahwa E = mC ² .

Tetapi massa sisanya, yang saya sebut sekadar "massa", tidak bergantung pada pengamat, oleh karena itu kadang-kadang disebut massa invarian. Semua pengamat setuju pada massa benda yang didefinisikan dengan cara ini. Dan semua pengamat akan setuju bahwa jika Anda beristirahat relatif terhadap suatu benda, energi yang diukur oleh Anda akan sama dengan mc ² , dan jika tidak energi akan berbeda secara besar-besaran. Total: dengan definisi massa yang digunakan oleh saya dalam artikel,

• Jika kecepatan objek relatif terhadap pengamat adalah v = 0, maka pengamat akan mengukur bahwa objek memiliki E = mc ² dan momentum p = 0.
• Jika sebaliknya objek bergerak relatif terhadap pengamat, maka itu akan mengukur bahwa E> mc ² , dan momentumnya juga lebih besar dari nol (p> 0).
• Dalam kasus umum, hubungan antara E, p, m dan v diberikan oleh dua persamaan:
ov = pc / E
o $$$E ^ 2 - (pc) ^ 2 = (mc ^ 2) ^ 2$
• yang konsisten dengan dua pernyataan sebelumnya, karena jika p = 0, maka v = 0 dan $$$E_2 = (mc_2) _2$(oleh karena itu, E = mc ² ), dan jika p> 0, maka v> 0 dan (karena pc> 0) E harus lebih besar dari mc ²

Persamaan ini dan representasi grafisnya dibahas secara rinci dalam artikel lain .

Saya ingin membuat Anda memahami alasan mengapa para ilmuwan partikel menggunakan persamaan ini dan tidak berpikir bahwa persamaan E = mc ² selalu benar. Persamaan ini merujuk pada kasus di mana pengamat tidak bergerak sehubungan dengan objek. Saya akan mencoba melakukan ini dengan mengajukan beberapa pertanyaan, jawaban yang sangat bervariasi tergantung pada pilihan makna kata "massa". Ini akan membantu untuk menarik perhatian Anda pada masalah besar dalam kasus dua definisi massa yang bersaing dan untuk menjelaskan mengapa jauh lebih mudah untuk bekerja dengan fisika partikel yang independen dari pengamat dalam fisika partikel.

Apakah partikel cahaya, foton, massa atau tidak?

Jika Anda menggunakan definisi massa saya, maka tidak. Foton adalah partikel tanpa massa, oleh karena itu kecepatannya selalu sama dengan batas kecepatan universal c. Tetapi elektron memiliki massa, sehingga kecepatannya selalu kurang dari s. Massa semua elektron adalah 0,000511 GeV / c ² .

Tetapi jika yang Anda maksud adalah massa relativistik, maka ya itu benar. Foton selalu memiliki energi, sehingga selalu memiliki massa. Tidak seorang pun pengamat akan melihatnya tanpa massa. Nolnya hanya massa invarian, juga dikenal sebagai massa istirahat. Setiap elektron akan memiliki massa masing-masing, dan setiap foton akan memiliki massa masing-masing. Sebuah elektron dan foton yang memiliki energi yang sama, menurut definisi ini, memiliki massa yang sama. Beberapa foton akan memiliki lebih banyak massa daripada beberapa elektron, sementara elektron lainnya akan memiliki lebih banyak massa daripada foton lainnya. Lebih buruk lagi, bagi seorang pengamat, massa elektron tertentu akan lebih besar daripada massa foton tertentu, dan bagi yang lain, semuanya bisa sebaliknya! Oleh karena itu, massa relativistik mengarah pada kebingungan.

Apakah massa elektron benar-benar lebih besar dari massa inti atom?

Jika Anda menggunakan definisi massa saya, maka tidak, tidak pernah. Semua pengamat akan setuju bahwa massa elektron adalah 1800 kali lebih kecil dari massa proton atau neutron yang membentuk inti.

Tetapi jika massa yang kita maksud adalah relativistik, maka jawabannya adalah: itu tergantung pada situasi. Massa elektron saat istirahat kurang. Elektron yang sangat cepat memiliki lebih banyak. Anda bahkan dapat mengatur semuanya sedemikian rupa sehingga massa elektron akan persis bertepatan dengan massa inti yang dipilih. Secara umum, kita hanya dapat mengatakan bahwa massa sisa elektron kurang dari massa inti lainnya.

Apakah neutrino memiliki massa?

Menggunakan konsep massa saya, jawaban untuk pertanyaan ini tidak diketahui dari tahun 1930-an, ketika konsep neutrino pertama kali diusulkan, sampai tahun 1990-an. Hari ini kita tahu (hampir pasti) bahwa neutrino memiliki massa.

Tetapi jika massa yang kita maksud adalah relativistik, maka jawabannya adalah: secara alami, kita mengetahui hal ini sejak hari pertama keberadaan konsep "neutrino". Semua neutrino memiliki energi, jadi seperti foton, mereka memiliki massa. Satu-satunya pertanyaan adalah keberadaan massa invarian.

Apakah semua partikel dari jenis yang sama - misalnya, semua foton, semua elektron, semua proton, semua muon - memiliki massa yang sama?

Dengan menggunakan konsep massa saya, jawaban untuk pertanyaan ini akan ada di afirmatif. Semua partikel dengan tipe yang sama memiliki massa yang sama.

Tetapi jika massa yang kita maksud adalah relativistik, maka jawabannya adalah: jelas, tidak. Dua elektron yang bergerak dengan kecepatan berbeda memiliki massa yang berbeda. Mereka memiliki massa invarian yang sama saja.

Apakah rumus Newtonian lama F = ma benar, berkorelasi massa, dampak, dan percepatan?

Saat menggunakan konsep massa saya, jawabannya adalah: tidak. Dalam versi relativitas Einstein, rumus ini diperbaiki.

Tetapi jika massa yang kita maksud adalah relativistik, maka jawabannya adalah: itu tergantung pada situasi. Jika vektor-vektor gaya dan gerakan partikel tegak lurus, maka ya; jika tidak, tidak.

Apakah massa partikel bertambah dengan meningkatnya kecepatan dan energi?

Saat menggunakan konsep massa saya, jawabannya adalah: tidak. Lihat grafik di atas. Pengamat yang berbeda dapat menetapkan energi yang berbeda untuk sebuah partikel, tetapi semua orang akan setuju dengan massanya.

Tetapi jika massa yang kita maksud adalah relativistik, maka jawabannya adalah: ya. Pengamat yang berbeda dapat menetapkan energi yang berbeda untuk sebuah partikel, dan karenanya massa yang berbeda. Mereka hanya setuju pada massa invarian.

Jadi, setidaknya kita melihat adanya masalah bahasa. Jika kita tidak menunjukkan dengan tepat definisi massa yang kita gunakan, kita akan mendapatkan jawaban yang sangat berbeda untuk pertanyaan fisika paling sederhana. Sayangnya, di sebagian besar buku untuk non-profesional dan bahkan di beberapa buku teks untuk tahun pertama universitas (!), Para penulis bolak-balik antara istilah-istilah ini tanpa penjelasan. Dan kebingungan yang paling umum di antara para pembaca saya terkait dengan fakta bahwa mereka diberitahu dua jenis informasi tentang massa yang saling bertentangan: satu cocok untuk massa istirahat, yang lain relativis. Sangat buruk menggunakan satu kata untuk dua hal berbeda.

Ini, tentu saja, hanya bahasa. Anda dapat melakukan apa saja dengan bahasa tersebut. Definisi dan semantik tidak penting. Ketika seorang fisikawan dipersenjatai dengan persamaan, bahasa menjadi pembawa yang tidak sempurna. Matematika tidak pernah bingung, dan orang yang mengerti matematika juga tidak akan bingung.

Tetapi bagi kebanyakan orang dan bagi siswa pemula, ini adalah mimpi buruk.

Apa yang harus dilakukan Salah satu opsi adalah bersikeras menggunakan semua istilah yang mungkin. Tetapi karena ini, penjelasannya akan sangat membingungkan.

• Energi objek stasioner = kali massa invarian c ² = masa massa relativistik c ²
• Massa benda yang bergerak = massa invarian, seperti sebelumnya, tetapi energi = massa relativistik dikalikan dengan s ² lebih besar dari sebelumnya karena energi gerak.

Ini terlalu bertele-tele. Rekan-rekan saya dan saya hanya mengatakan:

• Untuk objek bermassa m saat diam, energi E adalah mc ² ,
• saat dalam objek bergerak massa masih sama dengan m, dan energi E lebih besar dari mc ² persis dengan energi gerak.

Metode ini tidak kurang bermakna, ia menggunakan lebih sedikit konsep dan definisi yang berbeda, ia menghindari dua makna yang saling bertentangan dari kata "massa", salah satunya tidak berubah dengan gerakan, dan yang lain - perubahan.

Dari sudut pandang linguistik, semantik dan konsep, perlu untuk menghindari konsep "massa relativistik" dan menghapus kata "invarian" dan "istirahat" dari definisi "massa invarian" dan "massa istirahat" karena "massa relativistik" adalah konsep yang tidak berguna. Ini hanyalah nama lain untuk energi partikel. Untuk menggunakan konsep "massa relativistik" sama dengan bersikeras pada istilah "biru kemerahan". Jika saya mulai bersikeras menggunakan istilah "biru kemerahan" untuk menggambarkan kismis, Anda akan keberatan: tetapi kami sudah memiliki kata untuk warna ini: magenta. Apa yang salah dengannya? Dan Anda juga dapat mengatakan: “Mengatakan bahwa warna kismis adalah jenis biru adalah salah dan membingungkan. Kita dapat menyimpulkan bahwa warna kismis sedikit mirip dengan warna langit, tetapi faktanya berbeda. ” Dalam kira-kira nada yang sama, massa relativistik dikalikan dengan c ² hanyalah nama lain untuk energi (yang kita sudah memiliki kata yang cocok), dan untuk menggambarkan energi seolah-olah itu adalah sesuatu seperti massa berarti membingungkan pembaca.

Inilah alasan lain mengapa menyebut energi suatu bentuk massa itu buruk. Dalam persamaan Einstein, ruang dan waktu dihubungkan bersama dengan cara yang sama seperti energi dan momentum. Anda bahkan dapat mengingat energi yang dihemat karena independensi hukum fisika dari waktu ke waktu , dan momentum adalah karena independensi hukum dari tempat itu. Karena itu, jika kita mengatakan bahwa massa adalah E / c ² , lalu apa itu p / c? Pasti ada artinya. Apa tepatnya? Tapi tidak ada yang memberi nama ini nama. Mengapa Karena "momentum" adalah nama yang bagus untuk p, dan untuk p / c, nama itu tidak diperlukan. Jadi mengapa "energi" tidak cocok untuk E? Mengapa kita membutuhkan nama baru untuk E / c ² ? Terutama ketika Anda mempertimbangkan bahwa dalam persamaan dengan E dan p kuantitas lain muncul:

$$

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

Nilai di sebelah kanan jelas tidak memerlukan nama baru, karena jelas bukan E atau p - tidak disimpan sebagai E dan p, tetapi tidak tergantung pada pengamat (tidak seperti E dan p!)

Konsep "massa relativistik" muncul bukan dari awal dan bukan dari semacam kebodohan. Itu diperkenalkan oleh Einstein sendiri, dan tidak sia-sia, karena ia berurusan dengan hubungan antara energi suatu sistem objek dan massa sistem ini. Tetapi meskipun konsep massa relativistik disebarkan dan disebarkan oleh fisikawan terkenal lainnya pada waktu itu, Einstein sendiri, tampaknya, menolak cara berpikir seperti itu, dan juga tidak sia-sia. Komunitas para ahli fisika partikel modern melakukan hal yang sama.

Dalam artikel dan penelitian, saya tidak pernah menggunakan massa relativistik. Saya menggunakan energi sebagai gantinya, karena untuk sebuah partikel, massa relativistik itu sendiri adalah energi yang dibagi dengan c ² . Dan dengan "massa" saya selalu berarti "massa invarian", atau "massa istirahat", di mana semua pengamat bertemu. Massa elektron selalu 0,000511 GeV / c ² , tidak peduli seberapa cepat ia bergerak. Massa setiap elektron kurang dari massa inti atom. Semua foton dalam kekosongan selalu tanpa massa. Dan massa partikel Higgs adalah 125 GeV / c ² , terlepas dari kecepatannya. Para ahli fisika partikel menggunakan pengaturan linguistik dan konseptual seperti itu. Tidak perlu, Anda bisa membuat pilihan lain. Tetapi pendekatan ini memungkinkan kita untuk menghindari banyak masalah praktis dan konseptual, yang saya coba tunjukkan di sini.