Escribí una respuesta a esto aquí: la respuesta de Harry McLaughlin a ¿Qué es la energía? ¿Qué es la masa? ¿Cuál es la diferencia entre energy y mass?
Para guardarle el clic y concretar su pregunta, aquí está:
¡Comprender la misa requiere saber un poco sobre energía!
La energía y la masa son entre sí, al igual que las monedas y el papel moneda: lo mismo en diferentes contextos.
Sospecho que si lees esto, comprenderás bien lo que significan los términos. (comienza un poco técnico pero explica todo sobre la marcha)
ENERGÍA
La definición técnica : el hamiltoniano es el generador de simetría de traducción de tiempo que, según el teorema de Noether, implica una cantidad conservada. En la mayoría de las situaciones, este hamiltoniano es la energía total del sistema.
La definición no técnica : la energía es una de las pocas cantidades conservadas, como el impulso y la carga eléctrica. Las cantidades conservadas, como las cantidades invariables, son extraordinariamente útiles para nuestra comprensión de la naturaleza.
Eso es. La energía es bastante fundamental y no requiere más definición. Se entiende mejor en el contexto de otras cantidades: masa, materia e impulso.
MASA
La definición técnica : para un objeto o sistema, la masa es una cantidad invariante relativista igual a la pseudo norma de su momento 4-vector.
Esta es la “masa invariante” a la que se refieren los físicos cuando decimos masa y la única interpretación de masa que debería usarse. La “E” es la energía total (impulso a través del tiempo) y la “p” es el impulso a través de las tres dimensiones del espacio. La razón por la que usamos esta definición de masa, es decir, la masa invariante, es que es la definición más simple que elimina la necesidad de otras definiciones de masa que ya no se usan (masa relativista, masa en reposo, masa adecuada). La masa (masa invariante) es la misma para todos los observadores, y las cantidades invariables en física son invaluables.
Una definición no técnica : Masa es el nombre que le damos a toda la energía y el impulso, sumados, que están dentro de un objeto.
La conexión : las 2 definiciones anteriores parecen lo suficientemente diferentes como para merecer una explicación. Cada partícula en algún sistema de partículas tiene un vector de 4 componentes que describe su energía y momento. Existe una forma en la dinámica relativista de agregar los componentes de las partículas de tal manera que se obtenga la masa de ese sistema. Esto es imposible en la práctica cuando hay billones de billones de partículas, por lo que determinamos la masa de un objeto utilizando una de las otras propiedades de la energía: la inercia y la gravitación.
La masa es la pseudo norma del cuadrivector de momento. Es decir, la masa es la longitud o magnitud del momento 4-vector, o cuatro momento.
¿Se puede convertir la masa en energía?
Analogía cotidiana: ¿Se puede transformar un automóvil en automóvil? Sí, anoche era dueño de un automóvil, pero esta mañana se transformó en un automóvil, oh, espera, simplemente volvió a convertirse en un automóvil, oh, ahora mira el automóvil convertido de nuevo en automóvil “¡La misa ya ES una energía!
MASA Y MATERIA
Una analogía para principiantes: imagina una guitarra con 17 cuerdas y tocamos una de las cuerdas.
Una cadena representa un campo cuántico fundamental. La nota musical que obtienes al excitar la cuerda, digamos G #, es una partícula. Todas las cuerdas vibratorias tienen energía, y si la energía se mueve más lentamente que la velocidad de la luz, le damos el nombre de “masa”. Nuestra guitarra tiene 17 cuerdas porque hay 17 campos fundamentales descubiertos hasta ahora (ver más abajo). De las 17 cadenas, 12 de ellas tocan notas de materia y 5 tocan notas de no materia (la diferencia se explica en la sección de definiciones).
Podemos tocar acordes en nuestra guitarra; toquemos un acorde llamado “el protón”. Este acorde requiere 3 notas de materia: 2 llamadas “quark up” y una llamada “quark down”. Para combinar nuestros 3 quarks en el hermoso protón que suena, necesitamos muchas otras notas llamadas gluones que hacen exactamente lo que su nombre sugiere y unen los quarks. También hay una cadena llamada Higgs, y las notas de quark resonarán con la cadena de Higgs, lo que hará que vibre y se junten de tal manera que los quarks y, por lo tanto, todo el protón se mueva más lento que la luz. Las notas de gluón no hacen vibrar la cuerda de Higgs.
La ” masa ” del protón es la suma de todas las energías de todo este desorden vibratorio, incluidas todas las notas de velocidad de la luz y las partes de menos velocidad de la luz; Esto se debe a que las partes de velocidad de la luz están contenidas dentro del protón más lento que la luz. Aproximadamente el 98% de la masa está asociada con el campo de gluones y aproximadamente el 2% es del campo de Higgs.
NOTAS : Las cuerdas de guitarra están hechas de metal o nylon, los campos cuánticos no están hechos de nada. Usé la palabra “cadena” y también los teóricos de cuerdas, pero esas cadenas son diferentes. En ninguna parte digo “nota o partícula de Higgs” porque es así, mientras que el campo de Higgs puede resonar, es decir, acoplarse a otros campos (no todos), el campo de Higgs puede tocar su propia nota llamada “bosón de Higgs”. Las descripciones colectivas de los acoplamientos de Higgs y el bosón de Higgs se llaman propiamente mecanismo de Higgs.
Definiciones
Materia, la definición: La materia es cualquier excitación de un “campo de materia” cuántico o colecciones de tales excitaciones. Esto incluye, pero no se limita a, todas las partículas fermiónicas, núcleos, átomos, moléculas, sólidos, líquidos y gases.
La materia, su característica definitoria : las partículas de materia se pueden usar como bloques de construcción, son los ladrillos LEGO del universo. Las partículas que no son materia pueden ocupar en el mismo lugar al mismo tiempo (técnicamente, ocupan el mismo estado cuántico) y cualquier cantidad de ellas puede empaquetarse en un volumen arbitrariamente pequeño. En la analogía de la guitarra, las ondas en la cuerda pueden superponerse (es decir, superposición). Las partículas de materia no pueden hacer esto: las partículas de materia no pueden ocupar el mismo lugar al mismo tiempo, pero pueden sentarse una al lado de la otra, necesitan volúmenes más grandes y, por lo tanto, pueden usarse para construir las estructuras en nuestro universo. La materia es una descripción del comportamiento , no una cantidad fundamental. La materia es ese comportamiento de, por ejemplo, quarks y electrones, que les permite convertirse en jirafas, computadoras, dióxido de carbono y planetas: “Una casa construida de fotones no puede sostenerse”.
NOTA: Es aceptable usar “materia” en un contexto no riguroso de una manera cotidiana para significar “cosas”, como en el término “materia oscura”. También es aceptable hacer esto con energía: si digo “no tengo la energía para lavar la ropa hoy”; La energía en este contexto se refiere a mi estado emocional y no a una simetría particular de mi lagrangiano (una forma técnica en que los físicos definen la energía).
Las diversas definiciones de misa
- Masa Relativista: El término masivo campeón de confusión. La masa relativista es la energía total dependiente de la velocidad de un sistema. La dependencia de la velocidad y la terminología adicional asociada es lo que hace que la masa relativista sea una fuente de confusión. Es atractivo porque deja explícitamente claro que masa y energía o en pie de igualdad.
- Masa en reposo : es la masa relativista evaluada en v = 0, es decir, en el marco de referencia de la masa. La masa en reposo es un término problemático ya que implica automáticamente la existencia de alguna masa que no está en reposo.
- Masa apropiada : el término complementario a otras cantidades “adecuadas”, como el tiempo y la longitud adecuados. Es numéricamente equivalente a la masa en reposo y la masa invariante. La masa en reposo es la masa medida en la posición (x, y, z) en el marco de algún observador, mientras que la masa adecuada es la masa tal como la ve el propio objeto y tiene posición (0, 0, 0). Nota personal: Esta no es una distinción que hago, ya que me parece que esta distinción entre el descanso y la masa adecuada es más probable que exista entre los estudiantes de física ligeramente ebrios a las 2 am que la comunidad de física, que simplemente dice “masa” mientras no se refiere a la masa “en reposo” ni a la masa “adecuada”, sino a la masa “invariante”, que se define a continuación.
Si la masa y la materia son fundamentalmente diferentes, ¿cómo se pueden convertir entre sí?
NO PUEDEN -¡Son completamente y fundamentalmente diferentes!
- La masa es una cantidad invariante relativista
- La materia es una descripción de un tipo particular de comportamiento.
Sin embargo … las partículas son excitaciones de campos cuánticos, que tienen energía, momento y otras propiedades, y estas cantidades pueden transferirse a otros campos cuánticos (¡por supuesto, teniendo en cuenta las leyes de conservación apropiadas!).
Un ejemplo simple : un electrón y un anti-electrón se aniquilan entre sí y producen un par de fotones de rayos gamma.
La analogía: el electrón y el anti-electrón son excitaciones en un campo cuántico (notas en la guitarra). Cuando interactúan, se aniquilan entre sí, lo cual es una forma elegante de decir que toda su energía, que se conserva (y otras propiedades definitorias) se transfirió a una cuerda o cuerdas de guitarra diferentes, en este ejemplo, la energía transferida al cuanto electromagnético campo) que produce excitaciones en ese campo que llamamos fotones.
La desaparición y la creación de partículas es solo la combinación de energía entre campos. Si algunas de esas partículas se mueven más lentamente que los fotones, entonces parte de su energía se llama “masa”. Si algunas de esas partículas tienen un giro no entero, entonces se llaman “materia”. Sin conexión entre ellos, la física de las interacciones de partículas depende de las leyes de conservación y no de las cantidades anteriores o posteriores de masa o materia.
Aquí hay una tabla de las partículas fundamentales; El 6 verde y el 6 púrpura son las partículas de materia. Son solo las partículas de la Generación I las que influyen en la materia cotidiana.