Hace poco estuve hablando sobre el concepto de masa y, en resumidas cuentas, en la entrada llegaba a la conclusión de que la masa no es más que una manifestación de los diferentes tipos de energía que componen un objeto. Dicho de otra manera, en el nivel más fundamental, las cosas están compuestas por distintos tipos de energía y la masa es un concepto que simplemente cuantifica la resistencia al movimiento que ofrece un montón de energía concreto… O su inercia, vaya.
Pero, después de leer la entrada, a algunos lectores les surgió una duda: si, por un lado, la masa es un reflejo de la cantidad de energía que contiene un objeto y, por el otro, la luz tiene energía… Entonces, ¿por qué la luz no tiene masa?
Por tanto, quería aprovechar esta pregunta para inaugurar una nueva sección de artículos más cortos (con los que pretendo actualizar el blog más a menudo) y, de paso, aclarar la confusión.
En primer lugar, aunque es cierto que la luz tiene energía, las partículas que la componen, los fotones, no tienen masa en reposo.
Ya empezamos con los términos raros innecesarios…
Para nada, voz cursiva, la masa en reposo es precisamente la magnitud a la que nos referimos cuando hablamos de masa. Dicho de otra manera, la masa en reposo de un objeto es un reflejo de la energía que tiene asociada cuando está quieto, por el mero hecho de existir y de estar compuesto por una cantidad determinada de materia. Esta energía proviene tanto de la energía cinética de las partículas que contiene como de su interacción con el llamado campo de Higgs, y se manifiesta dándole inercia y, por tanto, masa, al objeto.
Pero, claro, los fotones no interaccionan con el campo de Higgs ni tampoco pueden estar en reposo, porque siempre se desplazan a la velocidad de la luz, así que la luz no tiene ningún tipo de masa en reposo… Y, como son dos conceptos equivalentes, por eso se dice que la luz no tiene masa.
Ahora bien, eso no significa que la luz no pueda tener energía. Para saber de dónde viene la energía de la luz, tendremos que fijarnos en la ecuación completa de Einstein que vimos en esta otra entrada:
Como podéis ver, la energía total de un objeto es la suma de otros dos tipos de energía distintos: su energía en reposo (que está asociada a su masa en reposo) y su energía cinética, derivada de su movimiento.
Hablemos ahora de este segundo tipo de energía.
Como ya vimos en esta otra entrada, la masa de un objeto aumenta con la velocidad, en el sentido de que, cuanto más deprisa se mueve, más aumenta su inercia y más cuesta acelerarlo hasta una velocidad aún mayor. Esto ocurre porque el momento del objeto crece a medida que acelera (el momento no es más que el producto de su masa en reposo multiplicado por la velocidad a la que se desplaza) y, a su vez, como se puede ver en el último término de la ecuación anterior, ese incremento del momento provoca un aumento de la energía cinética. Por tanto, a medida que un objeto gana velocidad, también aumenta su energía y, por tanto, su inercia (o su masa).
A esa inercia asociada al movimiento de un objeto se le suele llamar masa relativista. Pero, ojo, que este término puede dar lugar a confusiones: aunque contenga la palabra «masa», no representa ningún tipo de masa «real». En realidad, la masa relativista no es una propiedad intrínseca de un objeto, como la masa en reposo, sino que sólo refleja cuánto cambia su inercia en función de la velocidad a la que se desplaza.
Además, este aumento de masa debido a la velocidad no es perceptible en nuestra vida diaria porque sólo se manifiesta a velocidades cercanas a la de la luz (300.000 km/s). Por tanto, en nuestro día a día tan sólo experimentamos la masa en reposo de los objetos que nos rodean… Que es otro de los motivos por los que a la masa en reposo le llamamos simplemente masa.
Pero, ojo, porque, aunque la luz no tenga masa (en reposo), sí que tiene cierto momento que le otorga energía cinética. Por tanto, aunque la luz no reciba ninguna aportación de energía de su masa en reposo, sí que tiene una energía cinética asociada a su movimiento.
¡Pero si acabas de decir que la luz no tiene masa en reposo! ¿Entonces cómo va a tener momento, que precisamente es el producto de la masa en reposo por la velocidad?
Buen apunte, voz cursiva. A diferencia de otras partículas, el momento de la luz no depende de su masa y de su velocidad, sino de su frecuencia y de la llamada constante de Planck. Multiplicando estos dos parámetros por la velocidad de la luz, obtenemos la energía cinética de un rayo de luz… O, simplemente, su energía, porque es la única que tiene.
O sea, que, en resumidas cuentas, la energía de la luz proviene de su momento (y viceversa), no de su masa. Y, de hecho, esa energía derivada de su momento le da una ligera inercia a la luz (aunque no esté asociada a ninguna masa en reposo), lo que explica por qué es capaz de ejercer un empuje minúsculo sobre las cosas.
Espero que esta breve entrada haya resuelto la duda.
