A massa pode ser definida em termos gerais como uma propriedade intrínseca da matéria que representa a resistência que um corpo opõe às mudanças de movimento e que determina a sua capacidade de interagir gravitacionalmente com outros corpos massivos.
A definição de massa tem sido um dos grandes desafios da Física ao longo da história. Atualmente, com a descoberta do Bóson de Higgs, entende-se por massa a interação que certas partículas elementares têm com o Campo de Higgs. Porém, ainda há muitas questões relacionadas à massa a serem resolvidas.
Em 1687, Isaac Newton publicou seu famoso “Principia”. Neste trabalho, Newton revela as três leis do movimento que moldariam toda a física construída posteriormente. Em sua segunda lei do movimento, Newton afirma que quando uma força é aplicada a um corpo, esse corpo adquire uma aceleração que é diretamente proporcional à magnitude da força aplicada e que é inversamente proporcional à massa do corpo. Isso é expresso matematicamente como:
\(a = \frac{F}{m}\)
Onde \(a\) é a aceleração, \(F\) é a força e \(m\) é a massa. Nesta equação podemos perceber que para uma força específica \(F\), quanto maior a massa \(m\) do corpo, menor será a aceleração em resposta à força aplicada. Pelo contrário, quanto menor for a massa \(m\), maior será a aceleração obtida. Sob este conceito, a massa é entendida como uma resistência que os corpos opõem à mudança do seu estado de movimento, ou seja, à aceleração ou desaceleração. Isso é conhecido como massa inercial. Mas a física clássica não parou por aí. Newton também descreveu a gravidade como uma força que atua entre corpos com massa. Esta força gravitacional é diretamente proporcional ao produto das massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa, ou seja:
\({F_g} = G\frac{{{m_1}{m_2}}}{{{r^2}}}\)
Onde \({F_g}\) é a força gravitacional, \({m_1}\) e \({m_2}\) são as massas dos corpos, \(r\) é a distância que os separa e \(G \) é uma constante de proporcionalidade conhecida como constante de gravitação universal e tem um valor de FORMULA. Esta é a famosa Lei da Gravitação Universal.
Podemos perceber que, se alguma das massas for maior, a força gravitacional entre os dois corpos também aumenta, e, por outro lado, essa força diminui se alguma das massas for menor. Com esta descrição da gravidade em nossas mãos, podemos pensar na massa como uma quantidade que descreve a capacidade de um corpo interagir gravitacionalmente. Esta definição seria a massa gravitacional.
Até agora definimos dois tipos de massa com base em duas descrições diferentes, porém, na realidade, a massa inercial é igual à massa gravitacional. Suponha que temos um objeto de massa \(m\) sob a influência do campo gravitacional da Terra, esse objeto está em queda livre a uma altura muito próxima da superfície da Terra e experimenta uma aceleração \(g\). Se \({M_T}\) é a massa da Terra e \({R_T}\) seu raio, podemos então dizer que:
\(mg = G\frac{{{M_T}m}}{{R_T^2}}\)
Nesta expressão o lado esquerdo da equação é a segunda lei de Newton aplicada ao objeto de massa \(m\) e o lado direito é a lei da gravitação universal que descreve a força gravitacional que a Terra exerce sobre o objeto e faz com que ele acelere. Podemos eliminar o fator comum \(m\) de ambos os lados para chegar a:
\(g = G\frac{{{M_T}}}{{R_T^2}}\)
Onde \(g\) tem um valor de \(g \approx 9,8\;m/{s^2}\). Esta é a aceleração da gravidade da Terra. A equivalência que existe entre a massa inercial e a massa gravitacional implica que todos os objetos em queda livre experimentam a mesma aceleração, independentemente da sua massa. Isto foi observado por Galileu Galilei nas suas famosas experiências na Torre de Pisa, muito antes de as leis do movimento serem conhecidas.
Em 1905 Einstein publicou sua Teoria da Relatividade Especial. Esta teoria rompe com o paradigma newtoniano ao explorar o comportamento dos corpos quando viajam a velocidades próximas à da luz. Um dos conceitos que tem sido útil para compreender algumas das previsões feitas pela relatividade especial é o de massa relativística. A massa relativística de um corpo é dada por:
\({m_r} = \frac{{{m_0}}}{{\sqrt {1 – {{\left( {v/c} \right)}^2}} }}\)
Onde neste caso \({m_0}\) é conhecido como a massa de repouso , \(v\) é a velocidade na qual o corpo está se movendo e \(c\) é a velocidade da luz. O que esta equação nos diz é que a massa de um corpo é maior quanto mais rápido ele se move, sendo notadas mudanças consideráveis se a velocidade for comparável à velocidade da luz e tornando-se infinita se a velocidade for exatamente igual à da luz. Embora o conceito de massa relativística não faça sentido físico, é um recurso que é utilizado para explicar por que um corpo com massa não pode viajar mais rápido que a luz, uma vez que, tendo uma massa infinita, seria necessária uma força infinita para acelerá-lo, o que é fisicamente impossível.
Dez anos depois, Einstein publicaria sua Teoria Geral da Relatividade, na qual preenche as lacunas deixadas pela Relatividade Especial. Nele, Einstein explica a gravidade, não como uma força de origem misteriosa como Newton a explicou, mas como consequência da curvatura que objetos com massa geram no espaço-tempo. Dessa forma, corpos com massa interagem gravitacionalmente para curvar o espaço-tempo ao seu redor.
Em 1964, foi publicada de forma independente e quase simultânea uma nova hipótese que explicava como as partículas elementares obtinham massa. Esta hipótese foi proposta por Peter Higgs, Robert Brout, François Englert, Gerald Guralnik, CR Hagen e Tom Kibble, recebendo mais tarde o nome de Mecanismo de Higgs.
O Mecanismo de Higgs exigia a existência de uma partícula subatômica conhecida como Bóson de Higgs, que gera um campo com o qual o restante das partículas pode interagir. A massa das partículas elementares surge da interação entre elas e o campo de Higgs, desta forma, as partículas que interagem muito com o campo de Higgs terão mais massa do que aquelas que interagem em menor proporção. O mecanismo de Higgs consegue até explicar a ausência de massa do fóton porque ele não interage com o campo de Higgs. Esta história termina em 2012, quando o Bóson de Higgs é finalmente detectado no Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN.
Por volta de 1933, o astrônomo suíço Fritz Zwicky estava estudando a massa global do Aglomerado Coma, um aglomerado galáctico a uma distância de aproximadamente 300 milhões de anos-luz da terra. Para surpresa de Zwicky, a massa calculada a partir da velocidade relativa do aglomerado de galáxias era 400 vezes maior do que a sugerida pela luz combinada de todas as estrelas que compõem as galáxias. Embora isto não tenha chamado muita atenção a princípio, a chegada de novas tecnologias e observações mais detalhadas tornaram evidente a existência de “matéria faltante” que não podia ser observada diretamente.
Na década de 1970, a astrônoma Vera Rubin registrou o movimento das estrelas da Via Láctea em relação ao seu centro. As descobertas de Rubin mostraram que a velocidade das estrelas em torno do centro galáctico diminuía à medida que nos afastávamos do centro, mas em algum momento essas velocidades eram quase constantes. Isto quebrou completamente o que foi previsto pela Relatividade Geral, que explicava que a velocidade de rotação das estrelas mais externas da galáxia tinha que ser menor do que a daquelas que estavam mais profundamente no interior. Esses resultados acabaram demonstrando que havia massa que não podíamos observar diretamente.
A esta massa faltante foi dado o nome de Matéria Escura, é um tipo de matéria hipotética que tenta explicar todas estas observações e que representa 85% do Universo observável. A matéria escura é um dos grandes mistérios da Física hoje e embora existam vários modelos que tentam explicá-la, a verdade é que estamos muito longe de a compreender completamente.
Artigo de: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado em Física. Cursando Mestrado em Engenharia e Física Biomédica.
Referencia autoral (APA): Zamora Ramírez, A.. (Setembro 2023). Conceito de Massa. Editora Conceitos. Em https://conceitos.com/massa/. São Paulo, Brasil.
