¿Se cuantifica la masa?

Esta es una excelente pregunta. La respuesta es no .

Primero, la masa es un tipo de energía. No toda la energía es masa. Este es un salto lógico común en Quora y simplemente no es correcto. [*]

La energía (ni la frecuencia) no se cuantifica en general y, por lo tanto, la masa no se cuantifica. Solo unas pocas cosas en mecánica cuántica terminan siendo cuantificadas, estos son algunos de los fenómenos más interesantes en mecánica cuántica, pero no son la norma. Por ejemplo, ciertas transiciones en estados unidos (por ejemplo, átomos) dan lugar a fotones de energías específicas, pero un fotón puede tener cualquier frecuencia / energía en general.

Así que hay numerosas sutilezas que son confusas. Primero, [matemáticas] E = mc ^ 2 [/ matemáticas] es para la masa en reposo de la partícula (es decir, la energía de una partícula cuando está sentada). La fórmula más general es
[matemáticas] E ^ 2 = m ^ 2 c ^ 4 + p ^ 2c ^ 2 [/ matemáticas]
donde [math] p [/ math] es el impulso de la partícula.
Los fotones no tienen masa, pero tienen energía. La energía de un fotón es proporcional a su impulso.

Entonces, cuando los físicos dicen que los fotones están cuantizados, lo que eso significa es que si tienes una energía, [matemática] E [/ matemática], y quieres dividirla en fotones, puedes dividirla en

  • 1 fotón con una frecuencia [matemática] \ omega = E / \ hbar [/ matemática]
  • 2 fotones con frecuencias [math] \ omega_1 [/ math] y [math] \ omega_2 = E / \ hbar – \ omega_1 [/ math]
  • n fotones monocromáticos con frecuencias [matemáticas] \ omega = E / (n \; \ hbar) [/ matemáticas]
  • etc.

donde estoy usando las frecuencias angulares más estándar [matemáticas] \ omega = 2 \ pi \ nu [/ matemáticas]. Tenga en cuenta que cuando tiene 2 o más fotones, sus frecuencias no se cuantifican. [**]

Ahora hay un concepto relacionado de una frecuencia de Compton para una partícula masiva que se define como
[matemáticas] \ omega = mc ^ 2 / \ hbar [/ matemáticas]
Esta es la frecuencia cuando los efectos relativistas se vuelven importantes para una partícula. Sin embargo, la frecuencia de Compton es una cantidad derivada y no significa que la masa esté cuantizada.

Notas al pie
[*] La fórmula que das en realidad es significativa, pero generalmente se expresa como
[matemáticas] \ nu = mc ^ 2 / h [/ matemáticas]
Esto se conoce como la frecuencia de Compton de una partícula. En escalas de tiempo más pequeñas que la frecuencia de Compton, los efectos cuánticos relativistas se vuelven importantes.

[**] Como nota al margen, este fenómeno se observa en el átomo de hidrógeno para la transición [math] 2s \ rightarrow 1s [/ math]. El modo de desintegración dominante es en dos fotones que no tienen frecuencias cuantificadas. (Hay una transición de 1 fotón subdominante que tiene una frecuencia cuantificada que ocurre muy raramente).

Primero, la energía NO está cuantizada; es la acción que se cuantifica, y la constante de Planck es el cuanto de acción. En los átomos, los estados estacionarios solo son estables porque la acción asociada con ellos está cuantificada, por lo tanto, hay un cambio de energía específico entre ellos. Lo mismo para el movimiento vibratorio y rotacional. Entonces, una respuesta de primer corte a su pregunta es no.

Tengo una reserva más profunda. Algunos pueden probar que estoy equivocado en esto, pero no creo que todavía comprendamos realmente por qué las masas de las partículas fundamentales son lo que son. Así, con los leptones, tenemos tres neutrinos, el electrón, el muón y la partícula tau, y ¿por qué tienen esas masas específicas, sin nada en el medio? Si alguien ve nuestras respuestas a este tipo de preguntas en cien años, esas respuestas pueden ser bastante divertidas.

Hasta donde puedo juzgar, la transferencia en cuantos discretos no está directamente relacionada con si la masa está cuantificada, ya que los cuantos de Planck no están limitados a valores específicos.

Reformulando la pregunta de si la masa en reposo solo puede tomar valores específicos, la respuesta parece ser sí. Hasta donde podemos juzgar *, las masas de partículas fundamentales se cuantifican en este sentido, aunque algunas de estas no se conocen con gran precisión. La combinación de partículas fundamentales con átomos se cuantifica, al igual que la combinación de átomos con moléculas y moléculas con cristales. Los defectos e impurezas en los cristales también se cuantifican. Hasta donde puedo juzgar, esto también debería aplicarse a los arreglos policristalinos y vítreos. Incluso los estados térmicos de tales sistemas cerrados aparentemente están limitados a valores discretos. A medida que la situación se vuelve más compleja, la densidad de los posibles estados se vuelve tan alta que resulta imposible decir que el sistema está cuantificado, pero esto no resta valor a la base teórica que debería ser.

Extendiendo esto más (y eventualmente en áreas más especulativas):
¿Los estados de una botella aislada llena de gas están restringidos a valores específicos? Casi seguro
¿Está el universo restringido a estados discretos? Si el universo es un sistema aislado finito, de hecho podríamos esperar esto. Sin embargo, no tenemos forma de saber si el universo es finito o infinito, o incluso si incluye regiones donde las leyes físicas son diferentes. De todos modos, la granularidad será tan fina que se necesitaría un sistema más grande que el universo para evaluar esto: a falta de una teoría convincente sobre el origen y el tamaño del universo, la respuesta parece ser desconocida.

* Como ejemplo: la combinación de partículas fundamentales conocidas como el átomo de cesio emite una línea de radiación hiperfina que es consistente en mejor de 1 parte en 10 ^ 16. La estabilidad de esta línea depende de que las combinaciones de masa del átomo sean repetibles a un nivel aún mayor. Esta línea es la base de nuestros estándares de tiempo: la medida más repetible que tenemos (¿y la de la unidad cuyo significado es quizás el más polémico?)