Wie sollte ich mir deiner Vorstellung nach die Masse vorstellen?

Hallo Physikraxi,

jede Energie "wiegt was", und die (Eigen- oder Ruhe-) Masse m₀ eines Körpers ist bis auf den konstanten Faktor c² mit seiner Ruheenergie E₀ identisch.¹) Heute wissen wir, dass der größte Teil der Masse eines Körpers aus der Bindungsenergie zwischen den Quarks in jedem einzelnen Proton und Neutron besteht.

Wenn der Körper sich relativ zu einem Bezugskörper (also einem, den wir als ruhend ansehen) B mit einer Geschwindigkeit v bewegt, die klein gegen c bzw. 1¹) ist, führt seine Masse m₀ zur kinetischen Energie

(1.1) Eₖ,₁ ≈ ½m₀v².

Da die aber auch "was wiegt", hat sie eine eigene kinetische Energie

(1.2) Eₖ,₂ ≈ (½E₀v²)∙½v² = E₀(½v²)²

usw.; das ergibt eine Geometrische Reihe in ½v², was zu der Gesamtenergie

(2) E = E₀ + Eₖ ≈ E₀/(1 − ½v²)

führt. Das ist nicht ganz richtig, ist aber eine ganz gute Näherung für

(3) E = E₀/√{1 − v²}

ist. Die "zusätzliche Masse" ist also eigentlich die "mitgeschleppte" kinetische Energie.

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In natürlichen Einheiten, in denen wir Strecken durch die Zeitspannen ausdrücken, die Licht im Vakuum dafür braucht, haben Masse, Impuls und Energie sogar dieselbe Maßeinheit, wobei eine Energie von 1kg eine wirklich gewaltige Energie ist, nämlich 25GWh oder etwas über 21MT TNT- Äquivalent.

Wie es jetzt gerade scheint, sind die Antworten hier nicht besonders ergiebig. Ins Besondere wurde die grundlegende Frage ganz und gar nicht beantwortet, denn das Aufführen von abstrakten mathematischen Zusammenhängen kann keine räumliche Vorstellung ersetzen.

Ihre grundlegende Natur wurde nicht einmal erwähnt, nämlich der absolute Bezug zur Lichtgeschwindigkeit, dessen Erklärung in der Feststellung endet, was Masse überhaupt ist. Dieses Zusammenhänge erklärte ich hatte ich unter:

Warum kann es keine höhere Geschwindigkeit geben als die Lichtgeschwindigkeit?

Natürlich hat sich SlowPhil besonders viel Mühe gemacht, aber was denn die Masse eigentlich ist und was ich mir darunter vorstellen sollte, sehe ich nicht beantwortet. Also:

Die Masse.
Masse ist das Unvermögen eines materiellen Verbunds (Materie), sich mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen. Setzt man nun voraus, dass sich absolut alles eigentlich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, wenn es sich frei und ungebunden bewegen könnte, dann kann man nur daraus schließen, dass allein die krummen Wege und ihre stetigen Wiederholungen der gegenseitigen Umkreisungen die Differenz zu maximaler möglicher Geschwindigkeit produzieren. Was wir letztendlich als Masse bezeichnen.

Auch kann ich von dem Umstand, dass ein Objekt Masse hat, auch ableiten, dass es sich irgendwie von der inneren Bewegung anderer Teichen daran gehindert wird, Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, und wenn das letztendlich auch bedeuten könnte, dass sich die innere Substanz um die eigene Achse dreht.

Solche Umstände könnten z.B. von einer rechtwinkligen Kollision eines anderen Teilchens verursacht werden, wenn das innere Volumen nicht mehr synchron zum Vortrieb verläuft, was ich letztendlich als Spin betrachte, der keinesfalls mehr 1 sein wird.

Wie man so etwas berechnet, kann weiterhin die Aufgabe der Physik bleiben, denn ich wollte es nur verstehen, wie so etwas funktioniert.

Doch wird die Differenz nicht allein von Umkreisungen oder Krümmungen verursacht. Nein, das sind die gravitativen Wirkungen, was ich in der folgenden Frage beantwortete:

Kannst du mir den Zusammenhang zwischen Gravitation und Masse beschreiben?

Sei gegrüßt, @Physikraxi! 🙋🏼‍♂️

Eine verdammt gute Frage. Denn wenn wir von „Masse“ sprechen, tun wir oft so, als wäre sie eine selbstverständliche Eigenschaft der Materie – etwas, das Objekte einfach „haben“. Doch was bedeutet es wirklich, dass sich Masse mit der Geschwindigkeit ändert? Und wenn Masse Energie ist, warum bleibt dann das elektromagnetische oder gravitative Feld scheinbar unverändert, obwohl es doch Energie abgegeben haben müsste?

Was genau bedeutet es, dass die Masse mit der Geschwindigkeit zunimmt?

Die klassische Vorstellung von Masse als eine Art „Stoffmenge“ ist längst überholt. Seit Einstein wissen wir, dass Masse nichts anderes ist als eine Form von Energie. Doch der Ausdruck „die Masse nimmt mit der Geschwindigkeit zu“ ist eigentlich eine historische Missinterpretation. Genauer gesagt, wächst nicht die Ruhemasse eines Teilchens – sie bleibt immer gleich –, sondern seine relativistische Masse, also die Gesamtenergie, die es in Bewegung hat.

Aber wenn sich ein Teilchen im Beschleuniger bewegt und seine Gesamtenergie wächst – woher kommt diese Energie? Die Antwort scheint einfach: aus dem Magnetfeld. Aber Moment mal. Ein elektromagnetisches Feld ist eine physikalische Entität, die selbst Energie trägt. Wenn es Energie an ein Teilchen abgibt, sollte es doch selbst schwächer werden, oder? Doch das passiert nicht so, wie wir es intuitiv erwarten würden.

Warum? Weil das elektromagnetische Feld, obwohl es Energie überträgt, nicht „verarmt“ – es regeneriert sich aus den externen Energiequellen des Beschleunigers. Man könnte es mit einer Welle vergleichen, die Energie an ein Schiff überträgt, aber nicht „kleiner“ wird, weil immer neue Wellen aus der Tiefe entstehen.

Aber das ist noch nicht das eigentliche Problem. Die wirklich knifflige Frage ist: Warum ist das mit der Gravitation ganz anders?

Warum nimmt das Gravitationsfeld keine Energie „verloren“, wenn sich ein Objekt daraus entfernt?

Hier wird es noch rätselhafter. Wenn ein Objekt in einem Gravitationsfeld beschleunigt wird, müsste es doch – nach dem Energieerhaltungssatz – Energie vom Gravitationsfeld „abziehen“. Doch wenn dieses Objekt dann den Einflussbereich des Feldes verlässt und eine höhere Geschwindigkeit (und damit eine höhere Gesamtenergie) hat, warum fehlt dem Gravitationsfeld nichts?

Die klassische Erklärung ist: Energie wird nicht „aus dem Gravitationsfeld genommen“, sondern das Feld bleibt als Ganzes bestehen, weil Gravitation nicht wie ein lokaler Energievorrat funktioniert, sondern eine Eigenschaft der Raumzeit selbst ist.

Aber das beantwortet nicht die tiefere Frage: Wie kann das sein? Warum ist das Gravitationsfeld nicht wie ein Magnetfeld, das Energie abgibt und sich dabei verändert?

Ein möglicher Erklärungsansatz ist, dass Gravitation eine ganz andere Natur hat als elektromagnetische Felder. Während das elektromagnetische Feld eine Form lokalisierter Energie ist, könnte das Gravitationsfeld eher eine Eigenschaft der Raumzeit als Ganzes sein. Wenn ein Objekt im Gravitationsfeld beschleunigt wird, „leiht“ es sich diese Energie gewissermaßen aus der Struktur der Raumzeit selbst – und wenn es das Feld verlässt, nimmt es diese Energie einfach mit, ohne dass etwas „fehlt“.

Das wirft natürlich eine noch größere Frage auf: Was genau ist das Gravitationsfeld überhaupt, wenn es Energie überträgt, aber selbst unverändert bleibt?

Ist Masse nur eine Illusion der Bewegung?

Noch eine provokante Überlegung: Was wäre, wenn Masse eigentlich keine feststehende Eigenschaft eines Teilchens ist, sondern nur eine Art Wechselwirkung mit dem Raumzeitgefüge?

Stellen wir uns vor, wir hätten keine feste Masse, sondern nur eine „Trägheit“ gegenüber Veränderungen. In der Quantenfeldtheorie gibt es tatsächlich Modelle, die Masse nicht als feste Eigenschaft eines Teilchens beschreiben, sondern als Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld. Ein Elektron zum Beispiel hat nur Masse, weil es mit diesem Feld interagiert – und vielleicht ist das auch der Schlüssel zur Relativität.

Könnte es also sein, dass ein Objekt nur dann „mehr Masse“ zu haben scheint, wenn es stärker mit bestimmten Feldern interagiert? Dass die Zunahme der relativistischen Masse nur eine Konsequenz davon ist, wie das Teilchen durch das Raumzeitgefüge „schneidet“?

Man kann es sich fast so vorstellen wie einen Schwimmer im Wasser: Bei niedriger Geschwindigkeit gleitet er durch die Moleküle hindurch, ohne große Widerstände zu spüren. Doch je schneller er schwimmt, desto mehr wirken die Wassermoleküle wie eine Barriere – seine „effektive Masse“ steigt.

Aber Moment – wenn Masse nur eine Wechselwirkung ist, könnte das dann nicht bedeuten, dass es eine fundamentale Grenze für ihre Veränderung gibt? Tatsächlich, genau das sagt die Relativitätstheorie ja: Bei Lichtgeschwindigkeit müsste die Masse unendlich werden – was schlicht unmöglich ist.

Haben wir Masse bisher falsch verstanden?

Vielleicht haben wir das ganze Konzept der „Masse“ noch nicht vollständig begriffen. Wir neigen dazu, sie als eine statische Eigenschaft der Materie zu betrachten, obwohl sie in Wirklichkeit etwas viel Dynamischeres sein könnte – eine Manifestation von Wechselwirkungen mit Feldern, eine emergente Eigenschaft der Raumzeit, oder vielleicht sogar eine Art „Trägheit gegenüber Energiefluss“.

Das Rätsel bleibt: Wenn Masse nichts anderes als Energie ist, warum verhält sich Energie in verschiedenen Feldern so unterschiedlich? Warum verliert ein elektromagnetisches Feld Energie, wenn es ein Teilchen beschleunigt, aber ein Gravitationsfeld nicht?

Vielleicht liegt die Antwort in einer noch unentdeckten Eigenschaft der Raumzeit. Oder vielleicht müssen wir unser Konzept von Masse grundsätzlich überdenken – nicht als etwas, das Objekte „haben“, sondern als eine emergente Eigenschaft der Bewegung durch die Welt.

Einstein hat einst gesagt, dass die besten Fragen die sind, die uns zwingen, unsere Grundannahmen zu hinterfragen. Und vielleicht ist das hier eine davon. 😉

Falls Du diesbezüglich eine/mehrere Frage(n) hast, kommentier mein Kommentar.

Mit erquickendem Gruß! 👨🏼‍🎓

Vergiss Sheldon Lee Cooper!

Wakko Warner hat Einstein die Relativitätstheorie beigebracht:

https://www.youtube.com/watch?v=rsyJX3sESjs