Hace tiempo que quería hablar sobre el concepto de masa, así que voy a aprovechar dos preguntas que me habéis enviado por e-mail para escribir dos artículos sobre este concepto que todos damos por sentado pero que, en realidad, es más complejo de lo que parece.
En el artículo de hoy, respondiendo a una de las preguntas que me envió Sebastián C., toca hablar sobre qué es en realidad la masa.
¿Quieres decir que la pregunta que vas a responder hoy es «por qué pesamos»?
No, voz cursiva, eso no tiene ningún misterio: el campo gravitatorio de nuestro planeta tira de nuestra masa todo el rato, ejerciendo la fuerza que nos mantiene pegados a la superficie y a la que llamamos peso (hablé con más detalle del tema en la última entrada). Pero hoy no quiero hablar de eso, sino del origen de la masa en sí, esa propiedad de la materia que permite que la gravedad pueda tirar de nosotros en un primer lugar.
Aaaah, vale, vale. Procede.
Para empezar, desde el punto de vista de Newtoniano (la rama que describe el movimiento de los objetos macroscópicos), la masa es la propiedad que determina la resistencia que ofrece un cuerpo a ser acelerado. Por tanto, se dice que un objeto es muy masivo cuando tenemos que aplicar mucha fuerza para aumentar su velocidad, sin importar si parte desde el reposo o si ya se está moviendo a una velocidad determinada.
Pero, ojo, porque, en nuestro día a día, la resistencia que notamos cuando intentamos acelerar un objeto no depende sólo de su masa. En nuestro planeta, la resistencia al movimiento que ofrece un objeto se ve amplificada por el rozamiento con el aire y el suelo, al estar bajo la influencia del campo gravitatorio terrestre. Pero, incluso si nos encontráramos en un vacío absoluto y nos deshiciéramos de estos factores, flotando en un espacio sin gravedad ni fricción, el objeto seguiría ofreciendo resistencia a nuestros empujones. Y eso ocurriría, precisamente, porque la propia masa del objeto se opone al movimiento.
Aunque un objeto esté en el vacío, ofrecerá resistencia al movimiento porque tiene masa.
Vale, la masa es la propiedad que determina cuánto cuesta a mover un cuerpo. Pero, ¿de dónde sale esa propiedad? ¿Qué es lo que hace que una cosa adquiera masa?
Ese es precisamente el concepto que es más complejo de lo que parece, voz cursiva.
Todos estamos familiarizados con la famosa ecuación de Albert Einstein que relaciona la energía con la masa, el famoso eigualaemecealcuadrado:
Esta fórmula refleja la gran cantidad de energía que hay encerrada en cualquier objeto que tiene masa, una idea que fue crucial para el desarrollo de la bomba atómica. Por ejemplo, según esta ecuación, a mis aproximadamente 95 kilos de masa les corresponden una energía de 2.000 megatones, unas 40 veces más que la bomba termonuclear más potente que jamás se ha detonado. Pero no os preocupéis, que toda esa energía que hay contenida en cualquier objeto no se puede liberar a menos que reaccione con una cantidad parecida de antimateria.
Aun así, la fabricación de armas de destrucción masiva no era la intención inicial de Einstein.
En su artículo original ,»¿Depende la incercia de un objeto de su contenido energético?«, Einstein escribió su famosa fórmula de la siguiente manera:
O sea, que Einstein no pretendía reflejar cuánta energía se puede liberar a partir de la masa de un objeto, sino señalar que la masa de un sistema es una manifestación de la cantidad de energía que contiene. Como comenta Franz Wilczek en este artículo, «Einstein escribió esta fórmula pensando en la física fundamental, no en fabricar bombas atómicas«.
Para entender a qué se refería Einstein (además de leer esta otra entrada en la que hablaba de qué es realmente la energía), lo hay que tener en cuenta es que la energía puede adoptar muchas formas diferentes (eléctrica, potencial, cinética, térmica, etc). Por tanto, esta ecuación sugiere que, cuando se suman los distintos tipos de energía que contiene un objeto y se dividen entre el cuadrado de la velocidad de la luz, obtenemos una medida de lo que cuesta acelerarlo… O, lo que es lo mismo, de su masa.
Por tanto, por raro que parezca, la masa de un objeto es simplemente una propiedad que se manifiesta a partir de la cantidad de energía que contiene, así que, cuanta más energía tenga una cosa, más masiva será.
Veamos qué quiere decir esto exactamente con el ejemplo que usan en este vídeo de PBS Space Time (un canal que recomiendo, por cierto).
Imaginad que tenemos dos relojes idénticos, pero uno está en marcha y el otro no, porque se le ha acabado la batería. La diferencia principal entre los dos es que el reloj que está en marcha tiene más energía: sus manecillas y sus engranajes se están moviendo, así que generan energía cinética, pero también producen energía térmica a través de la fricción que experimenta su mecanismo al moverse y, además, los electrones de la batería tienen cierta energía potencial eléctrica.
Como resultado y, por extraño que suene, la ecuación de Einstein indica que el reloj que está en marcha es más masivo que el que está parado, porque tiene más energía.
Esta misma lógica se puede aplicar a cualquier otra situación en la que un objeto tenga más energía que otro igual: un vaso de agua caliente tiene más masa que otro volumen de agua idéntico, pero frío, y un móvil cargado tiene más masa que uno que no tiene batería del mismo modelo. Pero, por supuesto, la masa adicional que tienen estos sistemas más energéticos es minúscula e imperceptible en nuestro día a día, porque su energía extra es muy pequeña y porque, como podéis ver en la fórmula, está dividida por el cuadrado de la velocidad de la luz, que es una cifra inmensa. Por tanto, necesitaríamos una báscula increíblemente precisa para notar estos cambios.
¡Bueno, pero eso da igual, lo que importa es que la masa y la energía son lo mismo!
Pues no exactamente, voz cursiva. Es verdad que se suele recurrir a la fórmula de Einstein para explicar que la masa y la energía son dos caras de la misma moneda, sugiriendo que, de alguna manera, la masa es algún tipo de sustancia que se puede convertir en energía (y viceversa), pero estas afirmaciones no tienen en cuenta un matiz: la masa como tal no existe, porque, como he comentado, la masa no es más que una propiedad que manifiesta la energía.
Hmmm… Creo que te vas a tener que explicar mejor, porque no te compro la idea.
Sí, creo que sí. Lo que quiero decir es que, en el fondo, la materia que nos rodea está compuesta por una mezcla de distintos tipos de energía que se convierten unos en otros constantemente. Lo que nosotros interpretamos como masa, esa resistencia que ofrecen los objetos al movimiento, es sólo una propiedad que emerge a partir de toda esa energía.
Para ver por qué las cosas están compuestas de energía, volvamos al ejemplo de los relojes y centrémonos ahora en el que estaba quieto. Eso sí, antes de que alguien se deje llevar por el esoterismo de la palabra «energía», os vuelvo a recomendar que leáis la entrada sobre la energía que he mencionado antes.
A primera vista, el ejemplo anterior puede haber dado la impresión de que el reloj que está quieto no posee ningún tipo de energía, porque es un objeto inerte. Pero nada más lejos de la realidad.
Por un lado, el reloj está a una temperatura determinada y, como la temperatura no es más que un reflejo de lo rápido que se mueven los átomos (como expliqué en esta entrada), eso significa que sus átomos están vibrando a una velocidad concreta y que, por tanto, tienen energía cinética. Además, los núcleos de los átomos que componen el reloj están rodeados de electrones, que también tienen energía cinética, además de energía potencial eléctrica.
A su vez, los protones y los neutrones que forman el núcleo de un átomo están formados por unas partículas aún más pequeñas llamadas quarks. El caso de estas partículas fundamentales es interesante porque su «masa» sólo representa alrededor de un 1% de la masa total de los protones y neutrones a los que dan lugar. Esto se debe a que el 99% de la masa restante de un protón o un neutrón no viene de los propios quarks, sino de su energía cinética y de la energía que producen las interacciones nucleares fuertes que los mantienen unidos.
La estructura de los quarks es mucho más compleja, pero esta representación nos sirve para el artículo de hoy.
Ostras… Pero las partículas fundamentales sí que deben estar hechas de «algo», ¿no? Quiero decir, estas cosas sí que deberían contener algún tipo de masa, distinta a la energía, que las convierta en algo material.
Pues no, voz cursiva, hasta la «masa» de las partículas fundamentales es simplemente energía que liberan a través de su interacción con el famoso campo de Higgs, así que, incluso al nivel más fundamental, la masa no existe como una propiedad independiente de las partículas, sino que es una característica que se manifiesta a partir de su energía.
Y sé que todo esto suena muy raro, pero, como comenta el físico de partículas Matt von Hippel en su blog:
«Es muy tentador imaginar la masa como una sustancia, como algo que se conserva, como algo fundamental. Pero, en física, a menudo tenemos que dejar de lado nuestras intuiciones y este caso no es una excepción. La masa realmente no es más que energía. Sólo es energía que vemos desde lo bastante lejos como para no darnos cuenta.»
Total, que ya sabemos que la masa no es ningún tipo de sustancia independiente, sino una propiedad que manifiesta la energía que lo compone todo, así que en el próximo artículo tocará abordar un tema aún más curioso: por qué la masa aumenta con la velocidad.
21 comments
Quizás no lo he entendido bien … La masa de los quarks se debe a la interacción con el campo de Higgs y la masa de los protones, etc. se debe fundamentalmente a la fuerza nuclear fuerte y no al campo de Higgs, ¿es correcto?
Y si… y si es la energía la que no existe? Y si realmente la energía es una abstracción?
¿Y que pasa con las partículas que no tienen masa?
Dicen por ahí que dizque porque «toda su energía viene de su momento», como en el caso del fotón.
Recién descubro el blog, ¡Buenísimo!
Pero ahora tengo una duda. En física Newtoniana se estudia que el Peso es el resultado de la masa por la aceleración gravitatoria. ¿Es esta «masa» en realidad la interacción de toda la energía que contiene el cuerpo másico?
No estoy gordo! soy una persona con mucha energía!!
Hasta los quarks necesariamente ocupan espacio, deben ser «algo».No me imagino dos quarks interaccionando entre ellos con energía, cuando según su teoría no existen.; son asímismo «energía» dentro de un «campo».
En la lmisma fórmula de Einstein se habla de masa y energía;¿ son dos entidades distintas o nunca ha existido la masa?.
Cómo explica que exista energía «libre» en todo el universo, pero también masa o una especie de «energía concentrada»?
No me ha gustado el artículo de hoy Jordi, deja muchas lagunas como dicen los compañeros partículas sin masa? Los fotones tienen mucha energia pero no masa.
No era más facil empezar con lo de «masa es cantidad de sustancia o de materia?» asi se entiende mejor, y luego desarrollar eso. Lo que yo veo en mi ignorancia es que a mas particulas mas masa, relacion directa no?
Masa es por lo tanto un apelotonamiento (término físico nivel master de cifuentes) de bolitas de partículas de masa no?
Estoy con voz cursiva no te compro el articulo : / poco claro
No está bien que no respondas a las preguntas que se te hacen en los comentarios.
José Corona
No es del todo correcto afirmar que la masa aumente con la velocidad. La masa sólo se puede medir en reposo. Es un error habitual incluso entre físicos debido a que a veces nos empeñamos en reescribir el momento relativista como una «masa por velocidad» como en la mecánica newtoniana. Partiendo del lagrangiano de partícula libre relativista es fácil obtener el momento canonico, es decir, el momento propiamente dicho y comprobar que el momento no es m por v salvo que definas una masa efectiva.
Hasta donde sé la discusión sobre la contribución de la energía de enlace a la masa me parece adecuada. Aunque ahí no tengo tanto conocimiento.
Enhorabuena por el artículo. La masa siempre es un concepto más difícil de explicar de lo que aparenta y puede dar para mucho.
¿Qué sucede con la luz?
osea que cuando estoy a pleno Sol mi masa es mayor que cuando estoy en la oscuridad je je je . esos fotones provenientes del sol y que son absorbidos por los electrones de mi superficie consiguen aumentar mi masa .
por ello que el cosmos era originalmente solo energía , posteriormente el campo de Higgs le concedió masa solo a una parte de las partículas del universo .
de esta forma entiendo la masa : si a un electrón le entregamos energía cinética , simplemente aumenta su masa . ya que al someterlo a un frenado brusco cederá esa energía en forma de fotones – pudiendo ser éstos rayos X o del espectro visible etc – esto último según la energía que porte el electrón , o que le haya sido cedida .
éstos fotones resultantes según la reversibilidad de la ecuación de Einstein pueden convertirse en materia . Por ejemplo, un fotón gamma muy energético puede dar lugar a un electrón y un positrón (siendo la masa de ambos ridícula eso sí ) . pero al fin y al cabo es masa , y eso es lo que importa …. excelente la entrada y espero que continúes así , tratando de desasnarnos un poco . suerte
.
una buena diferencia entre materia y masa se da cuando entiendes que si llevas una cantidad de materia al polo y luego al ecuador ; seguirá siendo la misma en ambos sitios , pero será su peso el que varíe , siendo mayor su peso en los polos , ya que para los polos, g = 9,83 m/s2. y Para el ecuador, g = 9,78 m/s2 .
Pero la masa no es el nombre con el que se traducia anteriormente Hulk?
No he pillado algún matiz… un fotón no tiene masa pero tiene energía electromagnética… por lo tanto debería tener masa… O_o. Sólo soy un noob de las ciencias pero… ¿alguien me lo prodría explicar?.. Gracias de antebrazo
Si un fotón tuviera aunque sea un poquito de masa en reposo, al viajar a la velocidad de la luz su masa tendería a infinito, porque cuanto mas aceleras un objeto mas energía cinética acumula, y mas resistencia ofrece a ser acelerado. Lo que tienes que tener claro es que la masa es una representación de la cantidad de energía ni mas ni menos, si lanzas una piedra de un kilo desde 1 metro golpeará el suelo con ciertos newtons, si la lanzas desde 1 kilometro, la aceleración de la gravedad hará que la piedra golpee el suelo con mucha mas fuerza, lo cual podría ser equivalente a lanzar una pierda que pese mucho mas desde una distancia mas cercana, la fuerza con la que golpeará el suelo podría ser la misma, la masa da igual, lo que importa es la cantidad total de energía.
Siempre me resultó bastente intrigante el concepto de la masa, no sabiendo muy bien que es. Si me queda claro que lo que mide una bascula, aunque lo mida en unidades de masa, es el peso.
Voy a tener que releer el artículo porque sigue sin quedarme claro.
Si la m es solamente una propiedad de la E, ¿Por qué diferenciar entre materia oscura y energía oscura?
Poquito a poquito creo que le voy dando forma a este amasijo de complejidades que es la realidad, en definitiva ¿todo estaría compuesto por diferentes tipos de energía que se relacionan entre sí, a veces oponiéndose unas a otras, a veces convirtiéndose unas en otras? ¿Todo ello con unas reglas muy concretas que hace imposible que pase algo distinto? Eso acabaría con la idea del caos…