8 falsche Mythen über Masse - Hat sich Einstein geirrt? (2018)
Masse ist alltäglich, klar. Manchmal können wir nicht genug davon haben, meistens wollen
wir sie irgendwie loswerden. Aber wenn es um den physikalischen Begriff der Masse geht,
dann haben die meisten von uns ein paar falsche Vorstellungen, die in dieser Form teils sogar
an Unis gelehrt werden. Acht häufige falsche Annahmen über Masse zeigen wir euch heute.
Und nach diesem Video werdet ihr Masse-Experten sein. Ich bin Ronny, willkommen bei Raumzeit.
Klar, das wussten die meisten von euch. Masse
hat zwar die SI-Einheit Kilogramm, darf aber nicht mit dem Gewicht eines Objekts verwechselt
werden. Nehmen wir mal einen SUV – der ist nicht nur teuer und umweltschädlich, unserer
hier hat auch eine Masse von etwas über 2000kg. Ein Gewicht gibt es in der Physik nicht, wir
reden über die Gewichtskraft und diese entspricht der Kraft, die im Gravitationsfeld der Erde
auf das Auto ausgeübt wird. Diese sollten wir dann eigentlich mit Newton
angeben, aber eure Waagen zuhause geben nun mal ein Gewicht an und sie tun das in Kilogramm.
Nicht ganz richtig – aber zumindest auf der Erdoberfläche messen wir ein Gewicht
von 2 Tonnen. Wenn wir aber mit dem gleichen SUV auf dem Asteroiden Ceres parken, dann
wiegt der noch 60kg und Christoph könnte ihn locker hochhalten. Fun fact: auf der Oberfläche
eines Neutronensterns hätte der gleiche SUV ein Gewicht von 200 Milliarden Tonnen und
würde im Bruchteil einer Sekunde atomisiert und dann noch ein bisschen weiter zerlegt
werden. Masse also ist nicht Gewicht und Gewicht gibt es eigentlich gar nicht.
Autsch. Wenn das so wäre, dann gäbe es uns
nicht – denn unser Planet befindet sich nun mal im Weltraum. Auch spannend – wäre
ein Satellit im Weltraum masselos, dann würde er sich sofort mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Tatsächlich haben Objekte im Weltraum exakt die gleiche Masse wie überall sonst auch.
Da sich die ISS zum Beispiel aber im freien Fall befindet, ist dort alles schwerelos.
Auch bei Toilettenfehlfunktionen. Um besagte ISS aber zu bewegen – etwa für eine Kurskorrektur
– muss ich 450 Tonnen Masse beschleunigen. Auch im Weltraum.
Falsch. Wenn ich – sagen wir mal, zwei Spieluhren
habe, die absolut identisch aufgebaut sind – und zwar bis ins letzte Atom hinein, dann
haben sie nur dann die gleiche Masse, wenn sie beide nicht laufen. Wenn ich eine von
ihnen aufziehe, dann nimmt ihre Masse zu. Warum ist das so? Weil ich dem System Energie
zuführe – potenzielle Energie etwa in der gespannten Feder, kinetische Energie in der
rotierenden Figur, und so weiter. Nach Einstein sind Masse und Energie eines Objektes gleich
E = mc². Der Unterschied ist im Übrigen absolut minimal, aber er ist da.
Endlich wird es intellektueller. Es ist zwar
richtig, dass das Higgs-Feld einer Reihe von Elementarteilchen Masse verleiht, Elektronen
und Quarks etwa. Dass Higgsfeld allerdings ist lediglich für einen winzigen Bruchteil
der Gesamtmasse eures Körpers verantwortlich - circa 1%. Woher kommt dann bitte der Rest?
Der Rest ist schlicht Energie. Die Bindungsenergie in Atomkernen, die kinetische Energie der
Quarks, eurer Elektronen, Bindungen zwischen Atomen in Molekülen, und so weiter. Ihr besteht
aus Energie. Soviel kann Edward in Twilight gar nicht glitzern. Oh, Fun Fact: könnte
man alle Energie in eurem Körper frei setzen, dann hättet ihr erheblich mehr Sprengkraft
als die Hiroshimabombe – die Energie in eurem Körper ist nämlich unfassbar groß:
eure Masse mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat. Es gibt relativistische Masse
Obwohl selbst Physikprofessoren diesen Begriff immer wieder benutzen, ist er in der modernen
Physik nicht korrekt. Die Masse eines Systems ist in der Physik als Ruhemasse definiert
– als Eigenschaft eines unbewegten Systems – und weil das immer so ist, sprechen Physiker
auch nicht von Ruhemasse – wenn sie Masse sagen meinen sie die Ruhemasse. Egal wie schnell
ich dieses System nun bewege, die Masse bleibt per Definition gleich. Die Annahme einer relativistischen
Masse hat auch Einstein selbst schon gestört, der dazu sagte:
Es ist nicht gut, von der [relativistischen] Masse M eines bewegten Körpers zu sprechen,
da für M keine klare Definition gegeben werden kann. Man beschränkt sich besser auf die
„Ruhe-Masse“ m. Daneben kann man ja den Ausdruck für momentum [Impuls] und Energie
geben, wenn man das Trägheitsverhalten rasch bewegter Körper angeben will.
Richtig ist hingegen, wie Einstein bemerkt, dass sich die Energie des Systems verändert
– diese entspricht dann der Summe aus Ruheenergie und kinetischer Energie. Das können wir in
der Gleichung E= Gamma mal mc² fassen, die übrigens auch ein bisschen universaler ist
als E=mc². Masse kann in Energie umgewandelt werden
Eine derartige alchemistische Meisterleistung mag ein Tycho Brahe versucht haben,
sie bleibt aber unmöglich – und trotzdem hört man es ständig. Der Denkfehler liegt
darin, dass Masse und Energie als getrennte Größen betrachtet werden – es ist aber
tatsächlich ein und dasselbe. Wenn also die Sonne pro Sekunde 4 Milliarden Kilogramm Masse
verliert, dann verliert sie – exakt gesprochen: 4 Milliarden Kilogramm Energie. Energie, welche
vorher als potentielle und kinetische Energie im Plasma des Sonnenkerns existierte – und
die nun primär in Form elektromagnetischer Strahlung – an den Kosmos abgegeben werden.
Ich kann Masse deshalb nicht in Energie umwandeln, weil Masse bereits Energie ist.
Masse + Masse = mehr Masse Tatsächlich ist das oft falsch. Ein Wasserstoffatom
hat zum Beispiel weniger Masse als die kombinierte Masse seines Elektrons und seines Protons.
Das ist etwas unintuitiv – also nochmal: wenn ich ein freies Elektron und ein freies
Proton kombiniere, erhalte ich ein Atom, welches leichter ist als die Summe seiner Teile. Wie
ist das möglich? Sobald sich Proton und Elektron zum Atom kombinieren, besteht die Gesamtmasse
des Atoms nicht mehr nur aus der Masse des Protons und Masse des Elektrons sondern auch
der kinetische Energie des Elektrons sowie der potentiellen Energie zwischen Proton und
Elektron. Diese potenzielle Energie ist negativ, und weil dieser negative Wert den positiven
Wert der kinetischen Energie überschreitet, ist die Gesamtmasse des Atoms kleiner als
die Summe der Massen seiner Bestandteile. Diese Erklärung war wirklich extrem knapp
– falls ihr hier mehr wissen wollt, findet ihr einen Link in der Beschreibung.
E=mc² Bitte was? E=mc² falsch? Muss ich jetzt mein
Lieblings-T-Shirt wegwerfen? Immer langsam. E=mc² stimmt – aber leider nur unter ganz
bestimmten Voraussetzungen. Sie ist ein Spezialfall. Die Gleichung kann zum Beispiel nicht auf
masselose Systeme angewandt werden (ein Photon hat die Masse 0 und damit hätte es nach E=mc²
auch die Energie 0). Außerdem trifft E=mc² ausschließlich auf ruhende Systeme zu. Wir
benutzen daher besser diese sehr ähnliche, aber viel tollere Gleichung, in der p für
den Impuls steht: E zum Quadrat ist gleich p mal c (alles zum
Quadrat) + m mal c Quadrat (wieder alles zum Quadrat).
Die hat nicht nur den Bewegungsimpuls mit drin, sondern kann auch Photonen beschreiben.
Testen wir mal kurz: Wenn wir den Bewegungsimpuls auf 0 setzen, dann ist das System ruhend und
wir haben die Rockstar-Formel E=mc² vor uns. Wenn wir hingegen die Masse auf 0 setzen,
dann erhalten wir E=pc, jene Gleichung, die die korrekte Beziehung zwischen Energie und
Impuls von Photonen wiedergibt. Natürlich macht sich E=mc² super auf einem
T-Shirt aber ihr könnt mit der anderen Gleichung viel besser auf Intellektuellen-Partys angeben.
Wenn es euch gefallen hat, dann würden wir uns freuen, wenn ihr ein bisschen Masse aufgebt,
und die biochemische Energie in euren Muskelzellen in kinetische Energie eures Zeigefingers umsetzt,
wenn ihr uns ein Like gebt und abonniert. Wir sagen wie immer danke fürs Zuschauen
und, in diesem Sinne, 42!
