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3. Masse und Energie in der Relativitätstheorie

Invariante Masse und bewegungsabhängige Energie #

Die invariante Masse m ist für alle Inertialbeobachter gleich. Energie und Impuls hängen vom Bezugssystem ab:

E2=p2c2+m2c4.E^2=p^2c^2+m^2c^4.

p ist der Betrag des räumlichen Impulses. Im Ruhesystem E₀=mc², die kinetische Energie ist K=E−E₀. Für das masselose Photon gilt E=pc. Die Bewegung eines Teilchens erhöht nicht seine invariante Masse.

Masse eines Systems #

Für die addierten Energien und Impulse gilt

M2c4=Etot2−c2∣Ptot∣2.M^2c^4=E_{\rm tot}^2-c^2|\mathbf P_{\rm tot}|^2.

Im Schwerpunktssystem ist Mc²=Etot. Bindung kann die Masse unter die Summe getrennter Bestandteile senken. Die Nukleonmasse ist die Energie eines stark wechselwirkenden QCD-Zustands, keine einfache Summe dreier Quarkmassen.

In natürlichen Einheiten ℏ=c=1 schreibt man Massen oft in GeV. In SI entspricht dies GeV/c²; die Einheiten müssen beim Rechnen wiederhergestellt werden.

Beispiel: Zwei Photonen gleicher Energie mit entgegengesetzten Impulsen haben zusammen M=2E/c², obwohl jedes einzelne Photon masselos ist.

Quellen und weiterführende Literatur #

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