Infelizmente, no processo de revolução na ciência, que ocorreu com os conceitos de espaço, tempo, energia, momento e massa, Einstein, entre outras coisas, deixou para trás duas definições diferentes e contraditórias de massa. Por isso, tudo o que dizemos e queremos dizer pode ser interpretado de duas maneiras muito diferentes. Além disso, não há confusão diretamente na física. Os especialistas sabem exatamente o que está em jogo e sabem como fazer previsões e usar as equações apropriadas. A questão toda é apenas no significado da própria palavra. Mas as palavras são importantes, especialmente quando falamos de física com pessoas que não são especialistas neste campo e com estudantes para os quais as equações ainda não foram totalmente compreendidas.
Nos meus artigos por "massa", quero dizer a propriedade de um objeto, que às vezes também é chamado de "massa invariável" ou "massa em repouso". Para meus colegas de física de partículas, essa é apenas uma boa e velha "massa". Os termos "massa invariável" ou "massa em repouso" são usados para esclarecer o que você quer dizer com "massa" somente se você insistir em introduzir uma segunda quantidade, que também deseja chamar "massa", que geralmente é chamada " massa relativista ". Os especialistas em física de partículas evitam essa confusão ao não usar o conceito de "massa relativista".
A massa restante é melhor que a massa relativística, pois a primeira massa é uma propriedade sobre a qual todos os observadores concordam. Os objetos não possuem muitas dessas propriedades. Pegue a velocidade de um objeto: diferentes observadores discordam sobre a velocidade. Aqui vai o carro - qual a velocidade? Do seu ponto de vista, se você estiver em uma estrada, digamos que ela viaja a uma velocidade de 80 km / h. Do ponto de vista do motorista do carro, ele não se move, mas você se move. Do ponto de vista de uma pessoa que viaja em direção a um carro, ele já pode se mover a uma velocidade de 150 km / h. Acontece que a velocidade é um valor relativo. Não faz sentido perguntar sobre a velocidade da máquina, porque você não pode obter uma resposta. Você deve perguntar qual é a velocidade do objeto em relação a um determinado observador. Cada observador tem o direito de fazer essa medição, mas observadores diferentes obterão resultados diferentes. O princípio da relatividade de Galileu já incluía essa idéia.
A dependência do observador é aplicável tanto à energia quanto ao momento. Aplica-se à massa relativista. Isso ocorre porque a massa relativística é igual à energia dividida por uma constante - ou seja, de
2 -, portanto, se você definir a massa como “relativística”, diferentes observadores discordarão sobre a massa do objeto m, embora todos concordem que E = m
2)Mas a massa restante, que eu chamo simplesmente de "massa", não depende do observador; portanto, às vezes é chamada de massa invariante. Todos os observadores concordam com a massa do objeto m definido desta maneira. E todos os observadores concordam que, se você estiver descansando em relação a um objeto, sua energia medida por você será igual a ms
2 e, caso contrário, a energia diferirá bastante. Total: com a definição da massa usada por mim nos artigos,
• Se a velocidade do objeto em relação ao observador for v = 0, o observador medirá se o objeto tem E = mc
2 e o momento p = 0.
• Se, em vez disso, o objeto se mover em relação ao observador, ele medirá E> mc
2 , e o momento também é maior que zero (p> 0).
• No caso geral, as relações entre E, p, m e v são dadas por duas equações:
ov = pc / E
o
• o que é consistente com as duas afirmações anteriores, porque se p = 0, então v = 0 e
(portanto, E = mc
2 ), e se p> 0, v> 0 e (desde pc> 0) E deve ser maior que mc
2Essas equações e sua representação gráfica são discutidas
em detalhes
em outro artigo .
Quero fazer você entender as razões pelas quais os cientistas de partículas usam essas equações e não pensam que a equação E = mc
2 seja sempre verdadeira. Esta equação refere-se ao caso em que o observador não se move em relação ao objeto. Tentarei fazer isso fazendo algumas perguntas, cujas respostas variam muito, dependendo da escolha do significado da palavra "massa". Isso ajudará a chamar sua atenção para os grandes problemas no caso de duas definições concorrentes de massa e a explicar por que, na física de partículas, é muito mais fácil trabalhar com massa, independentemente do observador.
A partícula de luz, fóton, massa ou não?
Se você usar minha definição de massa, então não. Um fóton é uma partícula sem massa, portanto, sua velocidade é sempre igual ao limite de velocidade universal c. Mas o elétron tem massa, então sua velocidade é sempre menor que s. A massa de todos os elétrons é 0,000511 GeV / c
2 .
Mas se você quer dizer a massa relativista, então sim. Um fóton sempre tem energia, então sempre tem massa. Nem um único observador o verá sem massa. Seu zero é apenas uma massa invariável, também conhecida como massa em repouso. Cada elétron terá sua própria massa e cada fóton terá sua própria. Um elétron e um fóton com a mesma energia terão, por esta definição, a mesma massa. Alguns fótons terão mais massa do que alguns elétrons, enquanto outros elétrons terão mais massa do que outros fótons. Para piorar a situação, para um observador a massa de um certo elétron será maior que a massa de um certo fóton e, para outro, tudo pode ser o contrário! Portanto, a massa relativista leva à confusão.
A massa do elétron é realmente maior que a massa do núcleo atômico?
Se você usar minha definição de massa, então não, nunca. Todos os observadores concordam que a massa de um elétron é 1800 vezes menor que a massa de um próton ou nêutron que compõe o núcleo.
Mas se por massa queremos dizer relativistas, a resposta será: depende da situação. A massa do elétron em repouso é menor. Um elétron muito rápido tem mais. Você pode até organizar tudo de tal maneira que a massa do elétron coincida exatamente com a massa do núcleo selecionado. Em geral, podemos apenas dizer que a massa restante do elétron é menor que a massa restante do núcleo.
O neutrino tem massa?
Usando meu conceito de massa, a resposta a essa pergunta era desconhecida a partir da década de 1930, quando o conceito de neutrinos foi proposto pela primeira vez, até a década de 1990. Hoje sabemos (quase certamente) que os neutrinos têm massa.
Mas se por massa queremos dizer relativistas, então a resposta será: naturalmente, soubemos disso desde o primeiro dia da existência do conceito de "neutrino". Todos os neutrinos têm energia, assim como os fótons, eles têm massa. A única questão é a presença de uma massa invariável.
Todas as partículas do mesmo tipo - por exemplo, todos os fótons, todos os elétrons, todos os prótons, todos os múons - têm a mesma massa?
Usando meu conceito de massa, a resposta a essa pergunta será afirmativa. Todas as partículas do mesmo tipo têm a mesma massa.
Mas se por massa queremos dizer relativistas, então a resposta será: obviamente, não. Dois elétrons se movendo em velocidades diferentes têm massas diferentes. Eles têm apenas a mesma massa invariável.
A antiga fórmula newtoniana F = ma é verdadeira, correlacionando massa, impacto e aceleração?
Ao usar meu conceito de massa, a resposta será: não. Na versão da relatividade de Einstein, essa fórmula é corrigida.
Mas se por massa queremos dizer relativistas, a resposta será: depende da situação. Se os vetores, a força e o movimento das partículas são perpendiculares, então sim; caso contrário, não.
A massa de partículas aumenta com o aumento da velocidade e energia?
Ao usar meu conceito de massa, a resposta será: não. Veja a tabela acima. Observadores diferentes podem atribuir uma energia diferente a uma partícula, mas todos concordam com sua massa.
Mas se por massa queremos dizer relativistas, a resposta será: sim. Observadores diferentes podem atribuir uma energia diferente a uma partícula e, portanto, massas diferentes. Eles concordam apenas com a massa invariável.
Então, pelo menos vemos a presença de um problema linguístico. Se não indicarmos exatamente qual das definições de massa que usamos, obteremos respostas completamente diferentes para as questões mais simples da física. Infelizmente, na maioria dos livros para não profissionais e mesmo em alguns livros didáticos do primeiro ano da universidade (!), Os autores alternam esses termos sem explicações. E a confusão mais comum entre meus leitores está relacionada ao fato de lhes serem contados dois tipos de informações sobre a massa que se contradizem: uma é adequada para a massa de descanso, a outra é relativista. É muito ruim usar uma palavra para duas coisas diferentes.
Isso, é claro, é apenas uma linguagem. Você pode fazer qualquer coisa com o idioma. Definições e semântica não importam. Quando um físico está armado com equações, a linguagem se torna um veículo imperfeito. A matemática nunca é confusa, e uma pessoa que entende matemática também não ficará confusa.
Mas para a maioria das pessoas e para os alunos iniciantes, isso é um pesadelo.
O que fazer Uma opção é insistir no uso de todos os termos possíveis. Mas por causa disso, as explicações serão muito confusas.
• A energia de um objeto estacionário = massa invariante vezes c
2 = massa relativística vezes c
2• A massa de um objeto em movimento = massa invariante, como antes, mas a energia = massa relativística vezes s
2 é maior do que antes por causa da energia do movimento.
Isso é muito detalhado. Meus colegas e eu apenas dizemos:
• Para um objeto de massa m em repouso, a energia E é mc
2 ,
• enquanto em um objeto em movimento a massa ainda é igual a m, e a energia E é maior que mc
2 exatamente pela energia do movimento.
Esse método não é menos significativo, usa menos conceitos e definições diferentes, evita dois significados conflitantes da palavra "massa", um dos quais não muda com o movimento e o outro - muda.
Do ponto de vista da lingüística, da semântica e dos conceitos, é necessário evitar o conceito de "massa relativista" e remover as palavras "invariante" e "descanso" das definições de "massa invariante" e "massa em repouso" porque "massa relativista" é um conceito inútil. Este é apenas outro nome para energia de partículas. Usar o conceito de “massa relativista” é o mesmo que insistir no termo “azul avermelhado”. Se eu começar a insistir em usar o termo “azul avermelhado” para descrever as passas, você fará objeção: mas já temos uma palavra para essa cor: magenta. O que há de errado com ele? E você também pode dizer: “Dizer que a cor das passas é uma espécie de azul está errado e é confuso. Podemos concluir que a cor das passas é um pouco como a cor do céu, mas na verdade elas diferem. ” Aproximadamente na mesma linha, a massa relativística multiplicada por c
2 é apenas outro nome para energia (para a qual já temos uma palavra adequada), e descrever energia como se fosse algo como massa significa confundir o leitor.
Aqui está outra razão pela qual chamar a energia de uma forma de massa é ruim. Nas equações de Einstein, espaço e tempo estão conectados da mesma maneira que energia e momento. Você pode até lembrar que a
energia é economizada devido à independência das leis da física de tempos em tempos e momento - devido à independência das leis do local. Portanto, se dissermos que a massa é E / c
2 , então o que é p / c? Deve significar alguma coisa. O que exatamente? Mas ninguém deu um nome a esse nome. Porque Como “momento” é um bom nome para p e para p / c, o nome não é necessário. Então, por que a "energia" não é adequada para E? Por que precisamos de um novo nome para E / c
2 ? Especialmente quando você considera que na equação com E ep outra quantidade aparece:
O valor à direita claramente não precisa de um novo nome, pois não é nem E nem p - não é salvo como E e p, mas não depende do observador (ao contrário de E e p!)
O conceito de "massa relativista" não surgiu do zero e não fora de algum tipo de estupidez. Foi introduzido pelo próprio Einstein, e não em vão, pois ele lidava com a relação entre a energia de um sistema de objetos e a massa desse sistema. Mas, embora o conceito de massas relativísticas tenha sido propagado e difundido por outros físicos famosos da época, o próprio Einstein, aparentemente, rejeitou essa maneira de pensar, e também não foi em vão. A comunidade de especialistas modernos em física de partículas fez o mesmo.
Em artigos e estudos, nunca uso a massa relativista. Em vez disso, uso energia, porque para uma partícula, a própria massa relativista é apenas energia dividida por c
2 . E por "massa" eu sempre quero dizer "massa invariável", ou "massa de repouso", na qual todos os observadores convergem. A massa de um elétron é sempre 0,000511 GeV / c
2 , não importa a rapidez com que ele se move. A massa de qualquer elétron é menor que a massa do núcleo atômico. Todos os fótons no vazio são sempre sem massa. E a massa de partículas de Higgs é de 125 GeV / c
2 , independentemente de sua velocidade. Os especialistas em física de partículas usam esse arranjo lingüístico e conceitual. Não é necessário, você pode fazer outra escolha. Mas essa abordagem nos permite evitar muitos problemas práticos e conceituais, que tentei mostrar aqui.