Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Teoria relativității » Masa în relativitatea specială (Masa relativistă)

Masa în relativitatea specială (Masa relativistă)

Masa în relativitatea specială încorporează înțelegerile generale din legile mișcării relativității speciale împreună cu conceptul său de echivalență masă-energie. Cuvântul masă are două semnificații în relativitatea specială: una (masa de repaus sau invariantă și echivalentul ei, energia de repaus) este o cantitate invariantă care este aceeași pentru toți observatorii în toate cadrele de referință; celălalt (masa relativistă sau echivalentul energia totală a corpului) depinde de viteza observatorului. Termenul de masă relativistă tinde să nu fie folosit în fizica particulelor și a nucleelor ​​și este adesea evitat de cei care scriu despre relativitatea specială. Cu toate acestea, ei vorbesc despre energia (totală) a unui corp, echivalentul masei sale relativiste, mai degrabă decât de echivalentul energiei de repaus cu masa de repaus. Inerția măsurabilă și atracția gravitațională a unui corp într-un anumit cadru de referință este determinată de masa relativistă, nu doar de masa de repaus. De exemplu, lumina are o masă de repaus zero, dar contribuie la inerție (și greutate într-un câmp gravitațional) pentru oricărui sistem care o conține.

Termenul de masă în relativitatea specială se referă de obicei la masa de repaus a obiectului, care este masa newtoniană măsurată de un observator care se mișcă împreună cu obiectul. Masa invariantă este un alt nume pentru masa de repaus a particulelor individuale. Masa invariantă mai generală (calculată cu o formulă mai complicată) corespunde în mod greșit cu „masa de repaus” a unui „sistem”. Astfel, masa invariantă este o unitate naturală de masă utilizată pentru sisteme care sunt privite din cadrul centrului impulsurilor lor (CCI), ca atunci când orice sistem închis (de exemplu o sticlă de gaz fierbinte) este cântărit, ceea ce presupune că măsurarea să fie făcută în centrul cadrului impulsurilor unde sistemul nu are un impuls net. În aceste condiții masa invariantă este egală cu masa relativistă, care este energia totală a sistemului împărțită la c2 (viteza luminii la pătrat).

Conceptul de masă invariantă nu necesită însă sisteme legate de particule. Ca atare, ea poate fi aplicată și la sistemele de particule nelegate în mișcarea relativistă de mare viteză. Din acest motiv, se utilizează deseori în fizica particulelor pentru sisteme care constau din particule de energie de mare intensitate separate. Dacă astfel de sisteme au fost derivate dintr-o singură particulă, atunci calculul masei invariante a unor astfel de sisteme, care este o cantitate nemodificată, va asigura masa restului particulelor părinte (deoarece este conservată în timp).

Este adesea convenabil în calcul că masa invariantă a unui sistem este energia totală a sistemului (împărțită la c2) în cadrul CCI (unde, prin definiție, impulsul sistemului este zero). Cu toate acestea, deoarece masa invariantă a oricărui sistem este de asemenea aceeași cantitate în toate cadrele inerțiale, este o cantitate deseori calculată din energia totală în cadrul CCI, apoi folosită pentru a calcula energiile și impulsul sistemului în alte cadre în care momentele nu sunt zero, iar energia totală a sistemului va fi neapărat o cantitate diferită decât în ​​cadrul CCI. Ca și în cazul energiei și al impulsului, masa invariantă a unui sistem nu poate fi distrusă sau schimbată și astfel este conservată, atâta timp cât sistemul este închis pentru toate influențele. (Termenul tehnic este un ”sistem izolat” care înseamnă că în jurul sistemului este trasată o limită idealizată și că nu este permisă traversarea niciunei mase/energie prin ea).

Termenul de masă relativistă este de asemenea folosit uneori. Aceasta este suma cantității totale de energie dintr-un corp sau sistem (împărțită la c2). După cum se vede din CCI, masa relativistă este și masa invariantă, așa cum s-a discutat mai sus (la fel cum energia relativistă a unei singure particule este aceeași cu energia de repaus, atunci când se vede din cadrul ei de repaus). Pentru alte cadre, masa relativistă (a unui corp sau sistem de corpuri) include o contribuție a energiei cinetice „nete” a corpului (energia cinetică a centrului de masă al corpului) și este mai mare cu cât corpul se mișcă mai rapid. Astfel, spre deosebire de masa invariantă, masa relativistă depinde de cadrul de referință al observatorului. Cu toate acestea, pentru cadrele unice de referință date și pentru sistemele izolate, masa relativistă este, de asemenea, o cantitate conservată.

Deși unii autori prezintă masa relativistă ca un concept fundamental al teoriei, s-a susținut că acest lucru este greșit deoarece fundamentele teoriei se referă la spațiu-timp. Există dezacord cu privire la faptul dacă acest concept este pedagogic util. Noțiunea de masă ca proprietate a unui obiect din mecanica newtoniană nu are o relație precisă cu conceptul din relativitate. Lectorul de la Oxford John Roche afirmă că masa relativistă nu este menționată în fizica nucleară și a particulelor și că aproximativ 60% dintre autori care scriu despre relativitatea specială nu o introduc.

Dacă o cutie staționară conține mai multe particule, aceasta cântărește cu atât mai mult în cadrul de repaus, cu cât particulele se mișcă mai repede. Orice energie din cutie (inclusiv energia cinetică a particulelor) se adaugă la masă, astfel încât mișcarea relativă a particulelor contribuie la masa cutiei. Dar dacă cutia însăși se mișcă (centrul ei de mișcare se mișcă), rămâne întrebarea dacă energia cinetică a mișcării generale ar trebui inclusă în masa sistemului. Masa invariantă este calculată excluzând energia cinetică a sistemului ca întreg (calculată folosind viteza unică a cutiei, adica viteza centrului de masă al cutiei), în timp ce masa relativistă este calculată incluzând masa invariantă plus energia cinetică a sistemului care se calculează de la viteza centrului de masă.

Masa relativistă și masa de repaus sunt ambele concepte tradiționale în fizică, dar masa relativistă corespunde cu energia totală. Masa relativistă este masa sistemului, așa cum ar fi măsurată pe o scală, dar în unele cazuri (cum ar fi caseta de mai sus) acest fapt rămâne valabil doar pentru că sistemul în medie trebuie să fie în repaus pentru a fi cântărit (trebuie să aibă zero impuls net, adică măsurarea se face în cadrul centrului impulsului său). De exemplu, dacă un electron dintr-un ciclotron se mișcă în cercuri cu o viteză relativistă, masa sistemului de ciclotron+electron este mărită de masa relativistă a electronului, nu de masa de repaus a electronului. Dar același lucru este valabil și pentru orice sistem închis, cum ar fi un electron-și-cutie, în cazul în care electronul revine la viteză mare în interiorul cutiei. Doar lipsa impulsului total din sistem (suma impulsurilor sistemului e zero) permite energiei cinetice a electronului să fie „cântărită”. Dacă electronul este oprit și cântărit, sau a revenit la scaă, nu s-ar mișca în raport cu scala, și din nou masele relativiste și de repaus ar fi aceleași pentru electronul unic (și ar fi mai mică). În general, masele relativiste și de repaus sunt egale numai în sistemele care nu au un impuls net, iar centrul de masă al sistemului este în repaus; altfel ele pot fi diferite.

Masa invarianta este proporțională cu valoarea energiei totale într-un cadru de referință, cadrul în care obiectul ca întreg este în repaus (definit mai jos în termeni de centru de masă). Acesta este motivul pentru care masa invariantă este aceeași cu masa de repaus pentru particulele individuale. Cu toate acestea, masa invariantă reprezintă masa măsurată când centrul de masă este în repaus pentru sistemele de mai multe particule. Acest cadru special, acolo unde se întâmplă, se numește și centrul cadrului de impuls și este definit ca un cadru inerțial în care centrul de masă al obiectului este în repaus (un alt mod de a afirma că acesta este cadrul în care suma impulsurilor părților sistemului este zero). Pentru obiectele compuse (realizate din mai multe obiecte mai mici, unele dintre ele putând fi în mișcare) și seturi de obiecte nelegate (unele dintre ele putând fi în mișcare), doar centrul centrului de masă al sistemului trebuie să fie în repaus, pentru ca masa relativistă a obiectului să fie egală cu masa de repaus.

O așa numită particulă fără masă (cum ar fi un foton sau un graviton teoretic) se deplasează la viteza luminii în fiecare cadru de referință. În acest caz nu există nicio transformare care să aducă particula în repaus. Energia totală a acestor particule devine din ce în ce mai mică în cadre care se mișcă din ce în ce mai rapid în aceeași direcție. Ca atare, nu au o masă de repaus, deoarece nu pot fi măsurate niciodată într-un cadru în care sunt în repaus. Această proprietate de a nu avea masa de repaus este ceea ce face ca aceste particule să fie numite „fără masă”. Cu toate acestea, chiar particulele fără masă au o masă relativistă, care variază în funcție de energia observată în diferite cadre de referință.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *