Definición de Masa

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

En términos generales, la masa es una propiedad intrínseca de la materia que representa la resistencia que opone un cuerpo a los cambios de movimiento y que determina la capacidad de este para interaccionar gravitacionalmente con otros cuerpos masivos.

La definición de la masa ha sido uno de los grandes retos de la Física a lo largo de la historia. Actualmente, con el descubrimiento del Bosón de Higgs se entiende la masa como esa interacción que tienen ciertas partículas elementales con el Campo de Higgs. Sin embargo, aún quedan muchas preguntas por resolver relacionadas con la masa.

La masa desde el punto de vista clásico

En 1687 Isaac Newton publica su famoso “Principia”. En esta obra, Newton da a conocer las tres leyes del movimiento que le darían forma a toda la física construida posteriormente. En su segunda ley del movimiento, Newton establece que cuando se aplica una fuerza sobre un cuerpo, dicho cuerpo adquiere una aceleración que es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza aplicada y que es inversamente proporcional a la masa del cuerpo. Esto se expresa matemáticamente como:

\(a = \frac{F}{m}\)

Donde \(a\) es la aceleración, \(F\) es la fuerza y \(m\) es la masa. En esta ecuación podemos darnos cuenta que para una fuerza \(F\) en concreto, entre mayor sea la masa \(m\) del cuerpo menor será la aceleración en respuesta a la fuerza aplicada. Por el contrario, entre menor sea la masa \(m\), mayor será la aceleración obtenida. Bajo este concepto se entiende a la masa como una resistencia que oponen los cuerpos a cambiar su estado de movimiento, es decir, a acelerarse o desacelerarse. Esto es lo que se conoce como masa inercial. Pero la física clásica no se quedó hasta aquí. Newton también describió a la gravedad como una fuerza que actúa entre cuerpos con masa. Esta fuerza gravitacional es directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, es decir:

\({F_g} = G\frac{{{m_1}{m_2}}}{{{r^2}}}\)

Donde \({F_g}\) es la fuerza gravitatoria, \({m_1}\) y \({m_2}\) son las masas de los cuerpos, \(r\) es la distancia que los separa y \(G\) es una constante de proporcionalidad conocida como constante de gravitación universal y que tiene un valor de \(G \approx 6.67 \times {10^{ – 11}}N{m^2}/k{g^2}\). Esta es la famosa Ley de Gravitación Universal.

Podemos darnos cuenta de que, si alguna de las masas es mayor, la fuerza gravitatoria entre ambos cuerpos también aumenta, y, por otro lado, dicha fuerza disminuye si alguna de las masas es menor. Con esta descripción de la gravedad en nuestras manos podemos pensar en la masa como una cantidad que describe la capacidad que tiene un cuerpo para interaccionar gravitacionalmente. Esta definición sería la masa gravitacional.

Hasta el momento hemos definido dos tipos de masa partiendo de dos descripciones diferentes, no obstante, en realidad la masa inercial es la misma que la masa gravitatoria. Supongamos que tenemos un objeto de masa \(m\) bajo la influencia del campo gravitatorio terrestre, dicho objeto está en caída libre a una altura muy cercana a la superficie terrestre y experimenta una aceleración \(g\). Si \({M_T}\) es la masa de la Tierra y \({R_T}\) su radio, podemos decir entonces que:

\(mg = G\frac{{{M_T}m}}{{R_T^2}}\)

En esta expresión el lado izquierdo de la ecuación es la segunda ley de Newton aplicada al objeto de masa \(m\) y el lado derecho es la ley de gravitación universal que describe la fuerza gravitatoria que ejerce la Tierra sobre el objeto y hace que este se acelere. Podemos eliminar el factor común \(m\) de ambos lados para llegar a que:

\(g = G\frac{{{M_T}}}{{R_T^2}}\)

Donde \(g\) tiene un valor de \(g \approx 9.8\;m/{s^2}\). Esta es la aceleración de gravedad de la Tierra. La equivalencia que existe entre la masa inercial y la masa gravitacional implica que todos los objetos en caída libre experimentan la misma aceleración independientemente de su masa. Esto fue observado por Galileo Galilei en sus famosos experimentos en la Torre de Pisa mucho antes de que se tuviera conocimiento de las leyes del movimiento.

Einstein: Una nueva forma de ver la masa y la gravedad

En 1905 Einstein publicó su Teoría de Relatividad Especial. Esta teoría rompe con el paradigma newtoniano explorando el comportamiento de los cuerpos cuando viajan a velocidades cercanas a la de la luz. Uno de los conceptos que ha sido de utilidad para entender algunas de las predicciones hechas por la relatividad especial es el de masa relativista. La masa relativista de un cuerpo está dada por:

\({m_r} = \frac{{{m_0}}}{{\sqrt {1 – {{\left( {v/c} \right)}^2}} }}\)

Donde en este caso \({m_0}\) es conocida como la masa en reposo, \(v\) es la velocidad a la que se desplaza el cuerpo y \(c\) es la velocidad de la luz. Lo que nos dice esta ecuación es que la masa de un cuerpo es mayor conforme más rápido se mueva, notándose cambios considerables si la velocidad es comparable con la velocidad de la luz y volviéndose infinita si la velocidad es exactamente igual a la de la luz. Si bien el concepto de masa relativista no tiene sentido físico, es un recurso que se utiliza al momento de explicar porque un cuerpo con masa no puede viajar más rápido que la luz, ya que, al tener una masa infinita se necesitaría una fuerza infinita para acelerarlo, lo cual es físicamente imposible.

10 años más tarde, Einstein publicaría su Teoría de Relatividad General en la que tapa los huecos dejados por la Relatividad Especial. En ella, Einstein explica la gravedad, no como una fuerza de origen misterioso como la explicaba Newton, si no como una consecuencia de la curvatura que los objetos con masa generan en el espacio – tiempo. De esta manera, los cuerpos con masa interactúan gravitacionalmente el curvar el espacio – tiempo a su alrededor.

El Bosón de Higgs

En el año de 1964 fue publicada, de manera independiente y casi simultánea, una nueva hipótesis que explicaba el cómo las partículas elementales obtenían masa. Esta hipótesis fue propuesta por Peter Higgs, Robert Brout, François Englert, Gerald Guralnik, C. R. Hagen y Tom Kibble. Más tarde a esta hipótesis se le atribuyó el nombre de Mecanismo de Higgs.

El Mecanismo de Higgs requería de la existencia de una partícula subatómica conocida como Bosón de Higgs que genera un campo con el que pueden interactuar el resto de partículas. La masa de las partículas elementales surge de la interacción entre estas y el campo de Higgs, de esta manera, las partículas que interactúan mucho con el campo de Higgs tendrán más masa que aquellas que interactúan en menor medida. Incluso, el mecanismo de Higgs logra explicar la ausencia de masa del fotón debido a que este no interacciona con el campo de Higgs. Esta historia concluye en 2012 cuando por fin es detectado el Bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) del CERN.

Hay más masa de la que podemos observar

Hacía 1933 el astrónomo suizo Fritz Zwicky se encontraba estudiando la masa global del Cúmulo de Coma, un cúmulo galáctico a una distancia aproximada de 300 millones de años luz de nosotros. Para sorpresa de Zwicky, la masa calculada a partir de la velocidad relativa de las galaxias del cúmulo era una 400 veces mayor que lo sugerido por la luz combinada de todas las estrellas que forman las galaxias. Aunque esto en un principio no llamó mucho la atención, la llegada de nuevas tecnologías y observaciones más minuciosas hicieron evidente la existencia de “materia faltante” que no podía ser observada directamente.

En la década de 1970, la astrónoma Vera Rubin registro el movimiento de las estrellas de la Vía Láctea en relación a su centro. Los hallazgos de Rubin arrojaron que la velocidad de las estrellas en torno al centro galáctico disminuían conforme nos alejábamos del centro pero en algún punto dichas velocidades eran casi constantes. Esto rompía por completo lo predicho por la Relatividad General que explicaba que la velocidad de rotación de las estrellas más externas de la galaxia tenía que ser menor que la de aquellas que estaban más adentro. Estos resultados terminaron por demostrar que existía masa que no podíamos observar directamente.

A esta masa faltante se le dio el nombre de Materia Oscura, se trata de un tipo de materia hipotética que trata de explicar todas estas observaciones y que representa el 85% del Universo observable. La materia oscura es uno de los grandes misterios de la Física actualmente y aunque existen varios modelos que tratan de explicarla, lo cierto es que estamos muy lejos de entenderla por completo.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Art. actualizado: Enero 2023; sobre el original de abril, 2009.

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