Кіріспе

Қозғалысқа тәуелсіз масса, тыныштықтағы жалпы массаға тең. Инвариант масса, тыныштықтағы масса, ішкі масса, меншікті масса немесе байланысқан жүйелер үшін жай ғана масса – бұл объектінің немесе объектілер жүйесінің жалпы массасының, жүйенің жалпы қозғалысына тәуелсіз бөлігі. Нақтырақ айтқанда, ол Лоренц түрлендірулерімен байланысты барлық есептеу жүйелерінде бірдей болатын жүйенің жалпы энергиясы мен импульсінің сипаттамасы. Егер жүйенің импульс орталығы болса, онда жүйенің инвариант массасы сол "тыныштықтағы" жалпы массасына тең болады. Басқа есептеу жүйелерінде, жүйенің импульсі нөлден өзгеше болғанда, жүйенің жалпы массасы (яғни релятивистік масса) инвариант массадан үлкен, бірақ инвариант масса өзгеріссіз қалады. Масса-энергия эквиваленттілігінің арқасында жүйенің тыныштықтағы энергиясы жай ғана инвариант массаға, жарық жылдамдығының квадратына көбейтілгенге тең. Сол сияқты, жүйенің жалпы энергиясы оның жалпы (релятивистік) массасына, жарық жылдамдығының квадратына көбейтілгенге тең. Төрт импульсі нөлдік вектор болатын жүйелерде (мысалы, бір фотон немесе бір бағытта қозғалатын көптеген фотондар) инвариант масса нөлге тең және олар массасыз деп аталады. Жарық жылдамдығынан жылдам қозғалатын физикалық объект немесе бөлшектің төрт импульсі кеңістіктік сипатта болады (мысалы, гипотетикалық тахион), және мұндай бөлшектердің бар екені белгісіз. Кез келген уақыт тәрізді төрт импульс, (3 өлшемді) импульсі нөлге тең болатын есептеу жүйесіне ие, ол импульс орталығы болып табылады. Бұл жағдайда инвариант масса оң болып табылады және ол тыныштықтағы масса деп аталады. Егер жүйедегі объектілердің арасында салыстырмалы қозғалыс болса, онда жүйенің инвариант массасы объектілердің тыныштықтағы массаларының қосындысынан өзгеше болады. Бұл сондай-ақ жүйенің жалпы энергиясының c²-ге бөлінуіне тең. Массаның анықтамалары туралы мәліметтер үшін масса-энергия эквиваленттілігіне қараңыз. Жүйелердің массасы импульс орталығындағы салмақ немесе массалық шкаламен өлшенуі керек, онда жүйенің барлық импульсі нөлге тең, сондықтан мұндай шкала әрқашан жүйенің инвариант массасын өлшейді. Мысалы, шкала газ баллонындағы молекулалардың кинетикалық энергиясын баллонның инвариант массасының бөлігі ретінде өлшейді, демек, оның тыныштықтағы массасы да. Бұл жүйедегі массасыз бөлшектер үшін де дұрыс, олар өз энергияларына сәйкес жүйеге инвариант массаны және тыныштықтағы массаны қосады. Оқшауланған массалық жүйе үшін жүйенің массалық орталығы тұрақты, жарықтан кем жылдамдықпен түзу сызықта қозғалады (жылдамдық қолданылатын есептеу жүйесіне байланысты). Осылайша, бақылаушы онымен бірге қозғалуы мүмкін. Осы кадрда, импульс орталығы кадры, жалпы импульс нөлге тең, және егер ол байланысқан жүйе болса (мысалы, газ баллоны), жүйенің барлығы "тыныштықта" деп қарастырылуы мүмкін. Осы шарттардағы кадрда жүйенің инвариант массасы жалпы жүйе энергиясына (нөлдік импульс кадрында) c²-ге бөлінгенге тең. Импульс орталығындағы бұл жалпы энергия, жүйенің әртүрлі инерциялық кадрлардан әртүрлі бақылаушылар көретін ең төменгі энергиясы болып табылады. Бір бағытта қозғалатын фотондар немесе жарық сәулелері үшін мұндай тыныштықтағы кадрдың жоқ екенін ескеріңіз. Бірақ егер екі немесе одан да көп фотон әртүрлі бағытта қозғалса, массалық орталық кадры (немесе жүйе байланысқан болса "тыныштықтағы кадр") болады. Осылайша, әртүрлі бағытта қозғалатын бірнеше фотондардан тұратын жүйенің массасы оң, яғни бұл жүйе үшін инвариант масса бар, бірақ ол әр фотон үшін жоқ.

Тыныштықтағы массалардың жиынтығы

Жүйенің инвариантты массасы жүйені құрайтын бөлшектердің кинетикалық энергиясының импульс шеңберінің ортасында сақталатын массасын қамтиды, сондықтан жүйенің инвариантты массасы оның жеке құрамдас бөліктерінің инвариантты массаларының (бақилық массаларының) қосындысынан артық болуы мүмкін. Мысалы, жеке фотондар үшін тынығу массасы және инвариантты массасы нөлге тең, бірақ олар жүйенің инвариантты массасын арттыруы мүмкін. Осы себепті, инвариантты масса, әдетте, қосылатын шама емес (бірақ жүйеде потенциалдық немесе кинетикалық энергия болмағанда, массивті бөлшектерді жалпы массаға қосу сияқты, сирек жағдайларда қосыла алады). Екі дене жүйесінің қарапайым мысалын қарастырайық, онда A денесі бастапқыда тыныш күйдегі (кез келген есептеу жүйесінде) B денесіне қарай қозғалады. Бұл екі дене жүйесінің инвариантты массасының шамасы (төмендегі анықтаманы қараңыз) олардың тыныш күйдегі массаларының қосындысынан өзгеше. Егер біз осы жүйені импульс шеңберінің ортасынан қарастырсақ та, онда жалғыз импульс нөлге тең, жүйенің инвариантты массасының шамасы оның құрамындағы бөлшектердің тыныш массаларының қосындысына тең болмайды. Мұндай бөлшектердің кинетикалық энергиясы және күш өрістерінің потенциалдық энергиясы бөлшектердің тыныш массаларының қосындысынан артық жалпы энергияны арттырады, ал екі фактор да жүйенің инвариантты массасына үлеседі. Бақылаушы есептеген бөлшектердің кинетикалық энергиясының қосындысы импульс шеңберінің ортасында ең төменгі мәнге ие (егер жүйе байланысқан болса, бұл "тыныш жүйе" деп аталады). Олар көбінесе бір немесе бірнеше негізгі күштер арқылы өзара әрекеттеседі, бұл оларға өзара әрекеттесудің потенциалдық энергиясын береді, ол теріс болуы мүмкін.

Колайдерлік тәжірибелер

Бөлшектік соқтығыстырғыш эксперименттерінде бөлшектің бұрыштық орны көбінесе азимуттық бұрыш және псевдожылдамдық арқылы анықталады. Сонымен қатар, көлденең импульс, , әдетте өлшенеді. Егер бөлшектер массасыз немесе жоғары салыстырмалы болса, инварианттық массасы былай болады:

Тынығудағы энергия

Тыныштықтағы энергия (Тынықтағы масса энергиясы деп те аталады) – бөлшектің өзгермейтін массасымен байланысты энергия. Бөлшектің тыныштықтағы энергиясы формуласымен анықталады, мұндағы – вакуумдағы жарық жылдамдығы. Жалпы, энергияның өзгесуі ғана физикалық мағынаға ие. Тыныштықтағы энергия тұжырымы, Эйнштейннің энергия мен массаның эквиваленттігі туралы белгілі қорытындысына алып келетін арнайы салыстырмалылық теориясынан туындайды. Қараңыз.