Divulgación Foton y su masa

[john500]

Hola
En otro hilo me surgieron 3 preguntas:
Decia que algo sin energia no puede existir. Porque?
Luego ponian que un foton no tiene masa si esta en reposo pero su masa era tal si se movia a V tal? Porque?
Porque las particulas sin masa viajan todas a la velocidad de la luz?
Graciss!

[Julián]

Re: Foton y su masa

La energía no es algo que existe por si misma sino que los cuerpos o sistemas tienen energía. Es la capacidad de estos en producir trabajo, cambio.

Todas las cosas en el universo tienen esta capacidad. Por ejemplo una roca que fue lanzada y tiene una cierta velocidad tiene energía ya que si choca con algo produce un cambio. Si esta roca esta a una altura, tiene energía ya que si se deja caer produce un cambio. Hasta por solamente existir la roca tiene energía, energía en reposo porque está formada de partículas que tienen masa en reposo. La masa en reposo es una cuantificación de la energía que hubo que poner en juego para crear a esa partícula, o la energía que se libera cuando se destruye.

Despues tenemos las partículas con masa en reposo nula, como el fotón pero este tiene energía ya que es la partícula intermediaria de la fuerza electromagnética y una fuerza por supuesto produce un cambio, así que el fotón tiene capacidad para producir un cambio.

Porque las particulas sin masa viajan todas a la velocidad de la luz?

¿Qué entiendes por masa? Porque si buscas en el diccionario masa encuentras : La masa es la cantidad de materia de un cuerpo. Y si buscas materia: es todo aquello que tiene masa y ocupa volumen.

La mejor expresión de masa es:

$m = \frac{ {\vec{F}}_{neta}}{\vec{a} }$

Es la constante de proporcionalidad entre la fuerza que se aplica y la aceleración que experimenta un cuerpo. La masa depende tambien del movimiento. Así que si mides la masa de un cuerpo que se mueve con respecto a tu sistema será mayor que la masa que midirías al mismo cuerpo pero en reposo con respecto a tu sistema de referencia.

La masa en reposo es la masa de un cuerpo que tiene velocidad nula. Asi que si una partícula nunca tiene velocidad nula con respecto algún sistema de referencia, como el fotón, no tiene masa en reposo nula.

[john500]

Re: Foton y su masa

Esque pensamdolo bien la masa es un concepto mas complicado de lo que me enseñaron en segunmdo de secundaria. Hay masa inercial y no inercial y algo va a tener mas masa si se mueve mas rapido. Espero que me entindas

[Weip]

Re: Foton y su masa

El concepto de masa es el mismo del que te han explicado en el colegio (la definión, no las expresiones matemáticas), lo único es que en relatividad la masa en reposo no tiene porqué ser igual a la masa en movimiento.

Ahora te contesto a tu primera duda: como sabes, $E=m c^2$. Sustituye E por 0 y despeja m (que es 0 igual porque estamos hablando del fotón). ¿La partícula que estamos describiendo existe? No, porque una partícula sin masa y sin energia no existe. La anterior ecuación la puedes usar tanto para partículas en reposo como en movimiento, pues cuando $v=0$, $m=m_0$ y por tanto $E=E_0$, y en movimiento ($0<v\leqslant c$) $m=m_0 \gamma$, donde $\gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$.

La segunda pregunta no la entiendo muy bien, pero por lo que entiendo te puedo contestar que el fotón no tiene masa ni en reposo ni en movimiento (igual has leído algún post mío de hace tiempo afirmando lo contrario, pero ya me corrigieron en el mismo hilo).

En cuanto a la tercera, has de especificar que estamos midiendo esa velocidad en el vacío, porque cuando una partícula sin masa choca contra el agua por ejemplo, disminuye su velocidad. El fotón va a $c$ en el vacío por las propiedades eléctricas y magnéticas del vacío (recuerda que la luz es una onda electromagnénica). Observa la siguiente ecuación que define $c$ (puede que haya mejores y más precisas pero esta da un valor muy aproximado, si no exacto):

[Error LaTeX: Compilación LaTeX fallida]

$\varepsilon_0$ es la constante dieléctrica del vacío, y vale $8,854$·${10}^{-12}{C}^{2}/N$·${m}^{2}$.
$\mu_0$ es la permeabilidad magnética del vacío y vale $4\pi$·${10}^{-7} T$·$m/A$.

Si sustituyes estos valores en la ecuación, te sale la velocidad de la luz en este medio (el vacío), y esta es la velocidad del fotón en el vacío.

PD: En este hilo que inicié hace tiempo se comentó lo que preguntas, aunque no figure bien bien en el primer post:http://forum.lawebdefisica.com/threa...obre-el-fotón.

Espero haberte ayudado.

[john500]

Re: Foton y su masa

A okey pero si pudieras medir la masa de un foton cuando va a c... Que valor es?

[Julián]

Re: Foton y su masa

El concepto de masa es el mismo del que te han explicado en el colegio (la definión, no las expresiones matemáticas), lo único es que en relatividad la masa en reposo no tiene porqué ser igual a la masa en movimiento

[FONT=arial]El concepto de masa creo yo es el concepto que más trae a confusión y esto es debido a la enseñansa que se da en el colegio, hasta a los mismo físicos les ha traído problema. Y digo esto porque tenemos la definición de masa inercial y no inercial. Después se ha descubierto que la masa no es otra cosa que una forma de energía.
[/FONT]La definición mediante una expresión matemática es de lo más exacta. Porque la definición de masa no surgió de una manera conceptual o lógica. La masa surge desde la mecánica newtoniana, cuando newton formulaba sus leyes vio que entre la fuerza resultante que actúa en un cuerpo y la aceleración de este había una constante de proporcionalidad.

${\vec{F}}_{neta}=\frac{d \vec{p}}{dt }= m \frac{d \vec{v}}{dt }= m \vec{a}$

asi que
$m= \frac{{\vec{F}}_{neta}}{\vec{a}}$
Luego la física descubrió que esta medida a la oposición en el cambio de movimiento no solo era una propiedad de los cuerpos sino que tambíen dependía de la velocidad y de ahí sale una diferencia entre la masa en reposo y la relativista.

[FONT=arial]La energía de una partícula con masa está dada por: [/FONT]

[FONT=arial]$E= \sqrt{{p}^{2}{c}^{2} +{m}^{2}{c}^{4}}= \gamma m {c}^{2}$ [/FONT]

[FONT=arial]así que la energía de una partícula de materia está dada por la cantidad de movimiento, su masa y la constante c. [/FONT]

[FONT=arial]En cambio la energía y el momento lineal para un fotón depende unicamente de su frecuencia $v$ o lo que es lo mismo de su longitud de onda $\lambda$. [/FONT]

[FONT=arial]$E=h v = \frac{h c}{\lambda }$ [/FONT]

[FONT=arial]y el momento lineal del fotón es $p= \frac{h}{ \lambda}= \frac{hv}{c }$ [/FONT]

[FONT=arial]La energía y el momento de una partícula a la velocidad de la luz serían infinitos, lo cual no es físicamente aceptable, a no ser que su masa sea cero, en cuyo caso se obtendría una indeterminación [/FONT][FONT=arial]0/0[/FONT][FONT=arial], que podría tener un límite finito. Como los fotones se propagan a la velocidad de la luz, deben tener masa nula.[/FONT]

[pod]

Re: Foton y su masa

Decia que algo sin energia no puede existir. Porque?

La energía mide la capacidad de producir cambios. Si algo no tiene energía, no puede producir ningún cambio en nada. Si no puede producir ningún cambio, no puede detectarse, no puede afectar nunca a nada. De ahí a decir que no existe hay un salto filosófico, pero científicamente algo que nunca puede afectar a absolutamente nada ni detectarse es irrelevante, como si no existiera.

Podemos detectar los fotones, ergo tienen energía aunque no tengan masa.

Luego ponian que un foton no tiene masa si esta en reposo pero su masa era tal si se movia a V tal? Porque?

Los fotones nunca tienen masa. Por lo tanto, toda su energía debe ser cinética. Eso quiere decir que, en todos los sistemas de referencia, deben tener velocidad diferente de cero. La única velocidad que no se puede anular haciendo un cambio de sistema de referencia es la velocidad de la luz.

Porque las particulas sin masa viajan todas a la velocidad de la luz?

Exacto.

La mejor expresión de masa es:

$m = \frac{ {\vec{F}}_{neta}}{\vec{a} }$

Es la constante de proporcionalidad entre la fuerza que se aplica y la aceleración que experimenta un cuerpo. La masa depende tambien del movimiento. Así que si mides la masa de un cuerpo que se mueve con respecto a tu sistema será mayor que la masa que midirías al mismo cuerpo pero en reposo con respecto a tu sistema de referencia.

Ahora bien, esta expresión solo tiene sentido si F y a tienen la misma dirección. Eso no pasa en relatividad, si la fuerza no es paralela a la velocidad, entonces la aceleración no es paralela a la fuerza.

Por eso es necesario una definición nueva de masa en relatividad. Hay diversas alternativas que históricamente se han ido utilizando, similares pero con diferencias semánticas. Mi favorita, y la más extendida hoy en día, es: la masa es la energía (dividida entre c cuadrado) mínima necesaria para crear un determinado cuerpo. Si el fotón no tiene masa, significa que no cuesta energía crearlo (sólo cuesta energía ponerlo en movimiento).

El concepto de masa es el mismo del que te han explicado en el colegio (la definión, no las expresiones matemáticas),

Ni de lejos, por los motivos que acabo de explicar la definición antigua no sirve en física relativista.

lo único es que en relatividad la masa en reposo no tiene porqué ser igual a la masa en movimiento.

Esta es una de las definiciones históricas que se han ido utilizando. Es lijeramente diferente a la que yo acabo de dar. La masa en reposo es la masa (sin más), y siempre es constante. Lo que aumenta en movimiento es la energía.

[john500]

Re: Foton y su masa

Aaaa! La masa de un foton siempre va a ser cero, lo que aumenta es su energia cinetica, la energia.
Y algo con masa si se mueve cada ves mas rapido aumenta su masa? Esque en videos sale que si un objeto viajara a la velocidada c su masa seria infinita. Que aumenta enonces masa o energia?

[Weip]

Re: Foton y su masa

john500, en principio si se aumenta la energia cinética de un cuerpo con masa su masa aumenta. Esto lo sé de divulgación, aún no sé ninguna expresión matemática que lo corrobore ($E=m c^2$ puede pero seguro que hay otras mejores).
Lo que aumenta es la energia cinética, y eso, para un cuerpo con masa, se traduce en un aumento de masa. Si una masa llegara a la velocidad de la luz, como bien dices tendría una masa infinita puesto que necesita una energia infinita para llegar a tal velocidad. Pero como ves esto sería absurdo, y de ahí se peude concluir que un cuerpo con una determinada masa, por pequeña que sea, ya no puede conseguir ir a la velocidad de la luz.
De todas formas como el fotón no tiene masa, el aumento de energia no hace aumentar su masa.

Ni de lejos, por los motivos que acabo de explicar la definición antigua no sirve en física relativista.

Esta es una de las definiciones históricas que se han ido utilizando. Es lijeramente diferente a la que yo acabo de dar. La masa en reposo es la masa (sin más), y siempre es constante. Lo que aumenta en movimiento es la energía.

En cuanto a la definición no sé como la enseñan en otros colegios pero a mi siempre me la han definido nombrando a la energia siempre que llegábamos al tema de trabajo y energia (no la definicón relativista claro pero si parecida, pues todo el mundo sabe la ecuación de equivalencia entre masa y energia).

Respecto al segundo comentario tienes toda la razón, pero no pretendía definirla, tan sólo era una diferencia por decirlo de alguna manera para ayudar a entender el concepto a modo de introducción al comentario (no sé si me explico bien).

[pod]

Re: Foton y su masa

Y algo con masa si se mueve cada ves mas rapido aumenta su masa?

No. La masa es la masa, y es constante. Corresponde a la energía necesaria para crear ese algo, y por lo tanto no depende de su estado de movimiento.

Esque en videos sale que si un objeto viajara a la velocidada c su masa seria infinita. Que aumenta enonces masa o energia?

Esos vídeos utilizan una nomenclatura antigua y cada vez más en desuso (aunque me consta que en el foro aún hay adeptos :P, por desgracia, tenemos que habituarnos a entender ambas nomenclaturas, lo importante es que la física es la misma independientemente del nombre que pongamos a las cosas).

john500, en principio si se aumenta la energia cinética de un cuerpo con masa su masa aumenta. Esto lo sé de divulgación, aún no sé ninguna expresión matemática que lo corrobore ($E=m c^2$ puede pero seguro que hay otras mejores).

No es cuestión de matemática, sino de qué nombre le ponemos a cada cosa. Te recomiendo el artículo ¿Crece la masa con la velocidad?

la energia siempre que llegábamos al tema de trabajo y energia (no la definicón relativista claro pero si parecida, pues todo el mundo sabe la ecuación de equivalencia entre masa y energia).

En el mundo macroscópico tenemos también calor como forma de transmisión de energía (es decir, de producir cambios). Si uno calienta un trozo de hielo no está ejerciendo trabajo (macroscopico) y el hielo cambia, se funde.

Uno siempre puede entrar en la eterna discusión que incluso el calor se puede representar microscópicamente como colisiones de partículas (y por tanto, como trabajo mecánico), hay hilos sobre eso en el foro. Pero, en cualquier caso, hablar de "cambios" es más general que de "trabajo".

[john500]

Re: Foton y su masa

En conclusion lo que aumenta es la energia. Si algo se intentara acelerar a "c" su energia aumenta y necesirarias energia infinita. Esta mal dicho que su masa aumenta. Es todo cierto?

[Weip]

Re: Foton y su masa

pod, he leído el artículo y claro depende de a que masa te refieras. La masa en reposo es constante siempre, pero la relativista depende del sistema de referencia (es la que varia con la velocidad). Siento no haberlo precisado.
En todo caso, si aumenta o no ya depende de la energía cinética (y esa es la conclusión, supongo). john500, con "algo" tienes que precisar diciendo "cuerpo con masa" (masa en reposo no nula). Con un simple cálculo lo puedes comprobar, el cuerpo no llegará nunca a la velocidad de la luz.

[john500]

Re: Foton y su masa

A okey pero si un cuerpo con masa se comienza a acelerar mas y mas ... Su masa relativa aumenta? Osea literalmente se hace mas grande o pesado? O solo es desde un punto de referencia?

[pod]

Re: Foton y su masa

Esta mal dicho que su masa aumenta.

Tanto como "mal dicho"... antaño existía la nomenclatura de definir varios tipos de masa. Hoy en día, en la mayoría de círculos científicos esa nomenclatura ha caído en desuso y se habla de una sola masa (que antes era la "masa en reposo") que no varía.

pod, he leído el artículo y claro depende de a que masa te refieras. La masa en reposo es constante siempre, pero la relativista depende del sistema de referencia (es la que varia con la velocidad). Siento no haberlo precisado.

Precisamente, la corriente dominante en "círculos científicos" (es decir, en todas partes menos en divulgación y cursos introductorios) es no introducir 18 tipos de masas con "apellidos". De ahí que siempre diga que "la masa es la masa". No es necesario liar al personal con "masa en reposo" y "masa relativista" cuando "masa" (a secas) y "energía total" son perfectamente sinónimos (excepto factores $c^2$ donde toca).

Su masa relativa aumenta?

Olvídate de eso. Es una nomenclatura antigua. La masa es la masa y no cambia. La energía total si.

[john500]

Re: Foton y su masa

Osea la masa nunca aumenta, solo la energia. Es asi? Si es asi, entonces porque no se puede superar la velocidad de la luz. Yo sabia que no se podia porque la masa umenta asta el infinito.
Gracias