5.- La masa como magnitud física.

La masa se mide por comparación con un patrón de referencia llamado Kilogramo masa, compuesto de una aleación de platino e iridio que se guarda en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en Sèvres, cerca de París.

Se define como la cantidad de materia de un cuerpo, y para medirla se necesita una balanza y pesas calibradas en múltiplos o submúltiplos del Kilogramo masa. Frente a esa masa gravitatoria, se estableció un nuevo concepto de masa inercial de un cuerpo como la relación entre la fuerza aplicada y la aceleración que adquiere.

Mientras que la masa gravitatoria se mide en reposo, la masa inercial exige movimiento y, por elemental que ahora parezca su equivalencia, nadie lo reconoció hasta que Einstein lo estableció. Como se sabe, el principio de equivalencia entre los dos tipos de masa fue el punto de partida para desarrollar la relatividad general. La masa es variable como lo es el tiempo y el espacio, aumentando teóricamente hasta infinito si alcanza el límite de la velocidad de la luz.

Podemos comparar cantidades de materia más y más pequeñas, pero finalmente debemos preguntarnos cuál es el origen de la masa de las partículas elementales, por lo que volvemos a recurrir a Einstein como fuente de inspiración. Supuso que si una masa emite una radiación con energía E y ésta se propaga a la velocidad de la luz, entonces debería existir una pérdida de masa equivalente a la energía emitida, proponiendo que la pérdida de masa sería igual a la energía de la radiación dividido entre el cuadrado de la velocidad de la luz. Sin embargo, la verdadera demostración que avala esta suposición es experimental, y la famosa equivalencia entre masa y energía es un principio descubierto por intuición.

Según la relatividad, una masa m₀ que se encuentre en reposo se incrementa según el factor de Lorentz cuando se mueve con velocidad “v”. De la equivalencia entre masa y energía se deduce entonces la energía total, siendo válida para la luz o cualquier partícula, sin más que hacer la masa en reposo igual a cero en caso de la luz. Por lo tanto, la luz transmite un momento lineal (p) que depende de su energía aunque se considere que no tiene masa en reposo.

Con baja energía se puede aceptar que la energía cinética será la diferencia entre la energía total E y la energía en reposo E₀. Desarrollando en serie el factor de Lorentz y tomando solamente los dos primeros términos, se deduce que la energía cinética coincide prácticamente con la mecánica clásica, ya que el factor de Lorentz y los dos primeros términos de su expansión en serie tienden a coincidir si la velocidad es mucho menor que c.

Se podría decir que la masa no existía en los primeros instantes del Big-Bang y que tuvo su origen en la energía según el principio de equivalencia. Nos podríamos seguir preguntando por el origen de la energía pero, después de todo, es imposible hacer física sin aceptar principios que no tienen demostración. Sin embargo, la equivalencia entre masa y energía no puede justificar que los fotones no tengan masa pero los bosones W y Z, portadores de la fuerza nuclear débil, sean extraordinariamente masivos.

Para resolver el problema, Peter Higgs y varios físicos plantearon que si existe un campo electromagnético del que dependen las propiedades electromagnéticas de las partículas, también podría existir un campo de Higgs del que dependería su masa. Se piensa que en algún momento del Big-Bang cristalizó ese campo al descender la temperatura, transfiriendo inercia a las partículas dependiendo de su reacción con el campo. Así, las que experimentaban reacciones más grandes tendrían mayor masa y su velocidad tendría que ser menor que la de la luz. Al contrario, los fotones no tendrían masa como resultado de atravesar el campo sin interacciones, de la misma forma que un campo eléctrico no afecta a las partículas sin carga.

El campo de Higgs resolvía el problema teórico, pero se necesitaba una forma de verificar experimentalmente su validez y se pensó que, si todo campo de fuerza tiene una partícula portadora de la interacción, también debería existir una partícula portadora que recibió el nombre de bosón de Higgs. Encontrar ese bosón se convirtió en uno de los objetivos más perseguidos por los físicos, hasta que recientemente parece haber sido encontrado con el acelerador de partículas más grande del mundo (el LHC), la máquina más grande que jamás se haya construido.

De no haber existido tal bosón, toda la física de partículas tendría que haber sido revisada porque es una pieza imprescindible de la teoría. Como sabemos, el modelo estándar de partículas y su correspondiente teoría cuántica de campos son el modelo que ha conducido a las predicciones más exactas que se han conseguido en física.

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