Quelltext der Seite Elektromagnetische Masse

{{QS-Physik|Unerledigt=2018}}
{{Dieser Artikel|behandelt die elektromagnetische Masse, die z.&nbsp;T. auch „effektive Masse“ genannt wird. Zum entsprechenden Begriff in der Festkörperphysik siehe [[Effektive Masse]].}}

Die '''elektromagnetische Masse''', auch '''scheinbare Masse''' oder '''effektive Masse''', ist ein Konzept der [[Klassische Mechanik|klassischen Mechanik]] bzw. [[Elektrodynamik]]. Sie gibt an, inwieweit das elektromagnetische Feld bzw. die [[Selbstenergie]] zur Masse eines [[Elektrische Ladung|geladenen]] [[Teilchen]]s beiträgt. Die elektromagnetische Masse wurde zuerst von [[J. J. Thomson]] 1881 abgeleitet.

Zu Beginn des 20.&nbsp;Jahrhunderts wurde die elektromagnetische Masse als Erklärung für den Ursprung der Masse in Betracht gezogen. Diese Interpretation wurde jedoch zu Gunsten der Aussagen der [[Relativitätstheorie]] verworfen. Masse, Impuls, Geschwindigkeit und allen möglichen Energiearten hängen durch die [[Äquivalenz von Masse und Energie]] miteinander zusammen. Was die Ursache der Masse von [[Elementarteilchen]] betrifft, so wird der [[Higgs-Mechanismus]] im Rahmen des relativistischen [[Standardmodell]]s benutzt. Für den Spezialfall der elektromagnetischen Selbstenergie von geladenen Teilchen kann allerdings weiterhin das Vorhandensein einer „effektiven“ elektromagnetischen Masse angenommen werden.

== Geladene Partikel ==
=== Ruhemasse und Energie ===
Bereits 1843 zeigte [[George Gabriel Stokes]] im Rahmen der [[Hydrodynamik]], dass die „effektive“ Trägheit eines bewegten Körpers in einer inkompressiblen perfekten Flüssigkeit erhöht ist.<ref name="stokes" /> Ähnliche Überlegungen stellte [[J.&nbsp;J. Thomson]] (1881) an.<ref name="thomson" /> Er erkannte, dass eine sich in einem Medium (dem elektromagnetischen [[Äther (Physik)|Äther]] [[James Clerk Maxwell]]s) befindliche und [[Elektrische Ladung|elektrisch geladene]] Kugel, die ein spezifisches Induktionsvermögen besitzt, schwerer in Bewegung zu setzen ist als ein ungeladener Körper. Durch diesen [[Induktivität|Selbstinduktionseffekt]] verhält sich [[Elektrisches Feld|elektrostatische Energie]], als ob sie [[Impuls]] und eine „scheinbare“ elektromagnetische Masse besäße, welche die gewöhnliche mechanische Masse eines Körpers erhöhen kann. Anders formuliert: Diese Masse stammt von der elektromagnetischen [[Selbstenergie]] der Partikel. Thomsons Idee wurde detaillierter ausgearbeitet von [[Oliver Heaviside]] (1889),<ref name="heav" /> Thomson (1893),<ref name="thomson2" /> [[George Frederick Charles Searle]] (1897),<ref name="searle" /> [[Max Abraham]] (1902),<ref name="abraham" /> [[Hendrik Lorentz]] (1892, 1904),<ref name="lor92" /><ref name="lor04" /> und wurde direkt auf die Dynamik des damals entdeckten [[Elektron]]s unter Benutzung der [[Abraham-Lorentz-Gleichung]]en angewandt. Die elektrostatische Energie ''E''<sub>em</sub> und die Masse ''m''<sub>em</sub> eines ruhenden Elektrons ergab sich nun (im [[Gaußsches Einheitensystem|Gauß’schen Einheitensystem]]) als:<ref group="B">Feynman, Ch. 28</ref><ref group="B" name="pais">Pais, S. 155–159</ref><ref group="B">Miller, S. 45–47, 102–103</ref>

:<math>E_\mathrm{em}=\frac{1}{2}\frac{e^{2}}{a},\qquad m_\mathrm{em}=\frac{2}{3}\frac{e^{2}}{ac^{2}}</math>

wo ''e'' die gleichförmig auf der Oberfläche verteilte Ladung, und ''a'' der [[Klassischer Elektronenradius|klassische Elektronenradius]] ist, der endlich sein muss, um unendlich große Energiewerte zu vermeiden. Daraus ergibt sich die elektromagnetische Energie-Masse-Beziehung mit

:<math>m_\mathrm{em}=\frac{4}{3}\frac{E_\mathrm{em}}{c^{2}}</math>

Einige Forscher wie [[Wilhelm Wien]] (1900)<ref name="wien" /> und [[Max Abraham]] (1902)<ref name="abraham" /> kamen zum Schluss, dass die gesamte Masse eines Körpers gleich ihrer elektromagnetischen Masse sei. Wien und andere nahmen überdies an, dass auch die [[Gravitation]] elektromagnetischen Ursprungs ist, und folglich elektromagnetische Energie, träge Masse, und schwere Masse einander proportional sein müssten. Wenn ein Körper einen anderen anzieht, wird nach Wien der elektromagnetische Energievorrat der Gravitation verringert um den Betrag (wo ''M'' die angezogenen Masse, ''G'' die [[Gravitationskonstante]], und ''r'' der Abstand ist):<ref name="wien" />

:<math>G\frac{\frac{4}{3}\frac{E_\mathrm{em}}{c^{2}}M}{r}</math>

[[Henri Poincaré]] meinte 1906 überdies, dass wenn die Masse tatsächlich das Produkt des elektromagnetischen Feldes im Äther ist – wonach also keine „wirkliche“ Masse existiert – und wenn angenommen wird, dass der Begriff Materie untrennbar mit dem der Masse verknüpft ist, dann existiert folglich keine Materie und Elektronen seien lediglich Höhlungen im Äther.<ref name="poinc06b" />

=== Masse und Geschwindigkeit ===
==== Thomson und Searle ====
Thomson (1893) bemerkte, dass die Energie geladener Körper mit größerer Geschwindigkeit immer weiter zunimmt. Daraus ergibt sich, dass immer mehr Energie erforderlich ist, um die Masse weiter zu beschleunigen, was als Zunahme der Masse mit größerer Geschwindigkeit gedeutet wurde. Er schrieb (wo ''v'' die Geschwindigkeit des Körpers und ''c'' die Lichtgeschwindigkeit ist):<ref name="thomson2" />

{{Zitat
 |Text=[S. 21] Im Grenzbereich ''v&nbsp;=&nbsp;c'' wird die Zunahme der Masse unendlich groß, folglich verhält sich eine mit Lichtgeschwindigkeit bewegte geladene Kugel, als ob ihre Masse unendlich groß wäre, und deshalb wird ihre Geschwindigkeit gleich bleiben; oder mit anderen Worten, es ist unmöglich, die Geschwindigkeit eines geladenen Körpers, der sich durch ein Dielektrikum bewegt, über die Lichtgeschwindigkeit hinaus zu steigern.
 |ref=<ref>''When in the limit ''v&nbsp;=&nbsp;c'', the increase in mass is infinite, thus a charged sphere moving with the velocity of light behaves as if its mass were infinite, its velocity therefore will remain constant, in other words it is impossible to increase the velocity of a charged body moving through the dielectric beyond that of light.''</ref>}}

1897 gab Searle eine genauere Formel für die Zunahme der elektromagnetische Energie einer bewegten Kugel an:<ref name="searle" />

: <math>E_\mathrm{em}^{v}=E_\mathrm{em}\left[\frac{1}{\beta}\ln\frac{1+\beta}{1-\beta}-1\right],\qquad\beta=\frac{v}{c},</math>

und wie Thomson schloss er:

{{Zitat
 |Text=… bei ''v&nbsp;=&nbsp;c'' wird die Energie unendlich groß, so dass es unmöglich erscheint einen geladenen Körper dazu zu bringen, sich mit einer größeren Geschwindigkeit als Lichtgeschwindigkeit zu bewegen.
 |ref=<ref>}''… when ''v&nbsp;=&nbsp;c'' the energy becomes infinite, so that it would seem to be impossible to make a charged body move at a greater speed than that of light''</ref>}}

==== Longitudinale und transversale Masse ====
[[Datei:Abraham-Lorentz-Bucherer-de.svg|mini|300px|Voraussagen zur Geschwindigkeitsabhängigkeit der transversalen elektromagnetischen Masse nach Abraham, Lorentz und Bucherer]]

Ausgehend von Searles Formel leiteten [[Walter Kaufmann (Physiker)|Walter Kaufmann]] (1901) und [[Max Abraham]] (1902) die Formel für die elektromagnetische Masse von bewegten Körpern ab:<ref name="kauf02" /><ref name="abraham" />

:<math>m_\mathrm{L}=\frac{3}{4}\cdot m_\mathrm{em}\cdot\frac{1}{\beta^{2}}\left[-\frac{1}{\beta^{2}}\ln\left(\frac{1+\beta}{1-\beta}\right)+\frac{2}{1-\beta^{2}}\right]</math>

Abraham konnte jedoch zeigen, dass diese Formel nur in longitudinaler Richtung korrekt ist („longitudinale Masse“), d.&nbsp;h. die elektromagnetische Masse hängt auch von der Richtung der bewegten Elektronen ab. Folglich leitete Abraham die „transversale Masse“ ab:<ref name="abraham" />

:<math>m_\mathrm{T}=\frac{3}{4}\cdot m_\mathrm{em}\cdot\frac{1}{\beta^{2}}\left[\left(\frac{1+\beta^{2}}{2\beta}\right)\ln\left(\frac{1+\beta}{1-\beta}\right)-1\right]</math>

Andererseits hatte Lorentz bereits 1899 angenommen, dass Elektronen in Bewegungsrichtung einer [[Längenkontraktion]] unterworfen sind, was verhindern soll, dass Beobachter ihren Bewegungszustand relativ zum Äther messen können. Dies führte dazu, dass die Werte für die Beschleunigung der Elektronen von Abrahams Werten abwichen. Lorentz gab nun 1899 und etwas genauer 1904 folgende Werte für die longitudinale und transversale Masse an (welche mit den Werten, die 1905 von [[Albert Einstein]] aus der [[Relativitätstheorie]] abgeleitet wurden, übereinstimmten):<ref name="lor99" /><ref name="lor04" />

:<math>m_\mathrm{L}=\frac{m_\mathrm{em}}{\left(\sqrt{1-\beta^2}\right)^{3}},\quad m_\mathrm{T}=\frac{m_\mathrm{em}}{\sqrt{1-\beta^2}} </math>,

Daneben wurde von [[Alfred Bucherer]] und [[Paul Langevin]] (1904) ein weiteres Elektronenmodell entwickelt, wonach die Elektronen in Bewegungsrichtung kontrahieren, jedoch senkrecht dazu expandieren, wodurch das Volumen konstant bleibt. Sie erhielten folgenden Werte:<ref name="bucherer" />

:<math>m_\mathrm{L}=\frac{m_\mathrm{em}\left(1-\frac{1}{3}\beta^2\right)}{\left(\sqrt{1-\beta^2}\right)^{8/3}},\quad m_\mathrm{T}=\frac{m_\mathrm{em}}{\left(\sqrt{1-\beta^2}\right)^{2/3}}</math>

==== Kaufmanns Experimente ====
{{Hauptartikel|Kaufmann-Bucherer-Neumann-Experimente}}

Die Formeln für die transversale Masse in der Theorien von Abraham und Lorentz wurden gestützt durch die Experimente von Kaufmann (1901–1903), jedoch waren sie nicht genau genug um zwischen den Theorien eine Entscheidung herbeizuführen.<ref name="kauf02" /> Kaufmann führte 1905 deswegen weitere Experimente durch, die ungefähr in Übereinstimmung mit Abrahams und Bucherers Formeln, jedoch im Widerspruch zur Lorentz-Einstein-Formel standen.<ref name="kauf05" /><ref name="kauf06" /> Die nachfolgenden Experimente von Bucherer und anderen ergaben allerdings eine bessere Übereinstimmung mit der Lorentz-Einstein-Formel als mit denen von Abraham und Bucherer. Rückwirkend betrachtet waren diese Experimente allerdings nicht genau genug, um zwischen den Alternativen zu entscheiden, was erst 1940 erreicht werden konnte. Dies betraf allerdings nur diese Art von Experimenten, bei anderen konnte die Lorentz-Einstein-Formel viel früher (ab 1917) genau bestätigt werden.<ref group="B">Miller (1981), 334–352</ref>

=== Poincaré-Spannungen und das 4/3-Problem ===
Die Idee einer elektromagnetischen Begründung der Materie war jedoch unverträglich mit dem lorentzschen Elektron. Abraham (1904, 1905)<ref name="abraham04" /> zeigte, dass eine nicht-elektromagnetische Kraft benötigt wurde um die Lorentz-Elektronen daran zu hindern einfach zu explodieren, und zwar aufgrund der elektrostatischen Abstoßung der einzelnen Abschnitte ihres Feldes. Er zeigte überdies, dass verschiedenen Werte für die longitudinale elektromagnetische Masse folgen, abhängig davon, ob sie aus ihrer elektromagnetischen Energie oder ihrem Impuls abgeleitet werden. Er errechnete, das ein nicht-elektromagnetisches Potential (entsprechend einem Drittel der elektromagnetischen Energie) nötig sei, um die verschiedenen Ergebnisse anzugleichen. Abraham bezweifelte, dass es möglich ist eine Theorie zu entwickeln, die alle diese Forderungen erfüllt.<ref name="abraham05" />

Um dieses Problem zu lösen, führte [[Henri Poincaré]] (1905)<ref name="poinc05" /><ref name="poinc06" /> die nach ihm benannten – einen negativen Druck ausübenden – Poincaré-Spannungen ein, die ein nicht-elektromagnetisches Potential innerhalb der Elektronen darstellen. Wie von Abraham gefordert, fügen sie eine nicht-elektromagnetische Energie zu den Elektronen hinzu, die sich auf ¼ ihrer gesamten Energie bzw. ⅓ ihrer elektromagnetischen Energie beläuft. Die Poincaré-Spannungen lösen somit den Widerspruch in der Herleitung der longitudinalen Masse auf, sie verhindern die Explosion der Elektronen, sie verbleiben unverändert durch eine [[Lorentz-Transformation]] (sie sind also Lorentz-invariant) und wurden von Poincaré auch als dynamische Ursache für die Längenkontraktion angesehen. Poincaré blieb allerdings bei der Meinung, dass nur die elektromagnetische Energie zur Masse der Körper beitrage.<ref group="B" name="jan">Janssen/Mecklenburg (2007)</ref>

Wie später bemerkt wurde, liegt die Wurzel des Problems im {{Bruch|4|3}} Faktor der elektromagnetischen Ruhemasse – also ''m''<sub>em</sub>=(4/3)''E''<sub>em</sub>/c<sup>2</sup> wenn diese aus den Abraham-Lorentz-Gleichungen abgeleitet wird. Wird sie jedoch von der elektrostatischen Energie der Elektronen abgeleitet, ergibt sich eine Masse von ''m''<sub>es</sub>=''E''<sub>em</sub>/c<sup>2</sup> ohne den Faktor. Dieser Widerspruch wird durch die nicht-elektromagnetische Energie ''E''<sub>p</sub> der Poincaré-Spannungen aufgelöst, wodurch sich die Gesamtenergie der Elektronen ''E''<sub>tot</sub> ergibt:

:<math>\frac{E_\mathrm{tot}}{c^{2}}=\frac{E_\mathrm{em}+E_\mathrm{p}}{c^{2}}=\frac{E_\mathrm{em}+\frac{E_\mathrm{em}}{3}}{c^{2}}=\frac{4}{3}\frac{E_\mathrm{em}}{c^{2}}=\frac{4}{3}m_\mathrm{es}=m_\mathrm{em}</math>

Folglich ist der fehlende {{Bruch|4|3}}-Faktor wiederhergestellt, wenn die Masse auf ihre elektromagnetische Energie bezogen wird, was zu jener Zeit üblich war, und er verschwindet, wenn die Gesamtenergie berücksichtigt wird.<ref group="B" name="mil">Miller (1981), 382-383</ref><ref group="B" name="janb">Janssen/Mecklenburg (2007), S. 32, 40</ref>

== Trägheit der Energie und Strahlungsparadoxien ==
=== Strahlungsdruck ===
Ein anderer Weg, der benutzt wurde, um eine Art Verbindung zwischen elektromagnetischer Energie und Masse herzustellen, basierte auf dem Konzept des [[Strahlungsdruck]]s. Dieser Druck bzw. das Vorhandensein von Spannungen im elektromagnetischen Feld wurde von [[James Clerk Maxwell]] (1874) und [[Adolfo Bartoli]] (1876) abgeleitet. Auch Lorentz (1895)<ref name="lor95" /> konnte zeigen, dass diese maxwellschen Spannungen aus seiner Theorie des [[Lorentzsche Äthertheorie|ruhenden Äthers]] folgen. Allerdings ergab sich dabei das Problem, dass Körper durch diese Spannungen bewegt werden können, jedoch können sie nicht auf den ruhenden Äther zurückwirken, da letzterer definitionsgemäß absolut unbeweglich war. Folglich war in Lorentz’ Theorie das Prinzip von [[actio und reactio]] verletzt, was von Lorentz durchaus akzeptiert wurde. Er erklärte auch, dass man in einem ruhenden Äther nur von „fiktiven“ Spannungen sprechen könne, und folglich seien sie nur mathematische Modelle zur Erleichterung der Beschreibung elektrodynamischer Wechselwirkungen.

=== Masse des fiktiven elektromagnetischen Fluids ===
1900<ref name="poinc00" /> untersuchte Poincaré diesen Konflikt zwischen dem Reaktionsprinzip und der lorentzschen Theorie. Er fand heraus, dass das Prinzip von der Erhaltung der [[Schwerpunktsystem|Schwerpunktsbewegung]] eines materiellen Systems, sofern elektromagnetische Felder bzw. Strahlung vorhanden sind, aufgrund der Verletzung des Reaktionsprinzips nicht mehr gültig ist. Um dies zu vermeiden, leitete er aus den maxwellschen Spannungen bzw. dem [[Poynting-Vektor]] das Vorhandensein eines elektromagnetischen Impulses in den elektromagnetischen Feldern ab (ein solcher Impuls wurde bereits 1893 von Thomson in einer allerdings umständlicheren Art und Weise, abgeleitet.<ref name="thomson2" />) Daraus schloss er, dass sich die elektromagnetische Feldenergie wie ein „fiktives“ Fluid („fluide fictif“) verhält, dem eine Masse von ''E''<sub>em</sub>''/c''<sup>2</sup> (also ''m''<sub>em</sub>=''E''<sub>em</sub>/''c''<sup>2</sup>) zugeschrieben werden kann. Wenn nun das Schwerpunktsystem als zusammengesetzt aus der Masse der Materie und der Masse des fiktiven Fluids betrachtet wird, und wenn das fiktive Fluid als unzerstörbar angesehen wird (es wird also weder emittiert noch absorbiert), dann bleibt die Schwerpunktsbewegung gleichförmig.

Diese Lösung war jedoch unzureichend für den Fall, wenn die elektromagnetische Energie in andere Energieformen umgewandelt bzw. absorbiert wird. Dies hätte zur Folge, dass das damit verbundene Fluid zerstört wird – was für Poincaré der Grund ist, wieso diese Fluid bzw. ihr Impuls und Masse eben nur als fiktiv anzusehen ist. Eine einfache Lösung dieses Problems wäre gewesen (wie es später Einstein getan hatte) anzunehmen, dass die Masse der elektromagnetischen Energie bei der Absorption direkt in die Materie übergeht, und deren Masse folglich zu- oder abnimmt während des Emissions- bzw. Absorptionsprozesses. Doch dies wurde von Poincaré nicht in Betracht gezogen, sondern er erfand ein weiteres fiktives, nicht-elektromagnetisches Fluid. Dieses befindet sich unbeweglich an jedem Ort im Raum und besitzt ebenfalls eine fiktive Masse proportional zu ihrer Energie. Wenn nun das fiktive elektromagnetische Fluid zerstört wurde, überträgt es seine Energie und Masse auf das nicht-elektromagnetische Fluid, und zwar unter der Bedingung, dass diese Masse genau an diesem Ort verbleibt, und nicht mit der Materie mitgenommen wird. (Poincaré fügte hinzu, dass man nicht zu sehr über diese Annahmen verwundert sein soll, da es sich nur um mathematische Fiktionen handle.) Wird nun die Masse der Materie und die Masse der beiden Fluida (elektromagnetisch und nicht-elektromagnetisch) zusammen berücksichtigt, bleibt auch hier die Schwerpunktsbewegung gleichförmig.

Die daraus folgende Tatsache, dass im Falle von Emission bzw. Absorption die Schwerpunktsbewegung des Systems – bestehend aus der Masse der Materie und des elektromagnetischen Fluids – nicht mehr gleichförmig ist (denn die Auswirkungen des nicht-elektromagnetischen Fluids sind experimentell nicht zugänglich), führte Poincaré zu folgendem Strahlungsparadoxon: Wenn ein Strahl in eine bestimmte Richtung emittiert wird, erleidet der Körper einen Rückstoß aufgrund des Impulses des Strahls. Poincaré führte nun eine Lorentz-Transformation (für geringe Geschwindigkeiten) in ein relativ dazu bewegtes System durch. Er bemerkte, dass zwar die Energieerhaltung aufrechtbleibt, jedoch der Impulserhaltungssatz ist verletzt, was die Möglichkeit der Konstruktion eines [[Perpetuum mobile]] ergab, was Poincaré sehr problematisch fand. Er musste also annehmen, dass eine zusätzliche Kompensationskraft existiert, die diesen Effekt ausgleicht. (Hätte er wie Einstein angenommen, dass die Masse von der Materie selbst aufgenommen bzw. abgegeben wird, würde dieses Problem nicht bestehen, s. w. u.)<ref group="B">Miller (1981), 41ff</ref><ref group="B" name="dar">Darrigol (2005), 18-21</ref>

Poincaré griff dieses Thema 1904 wieder auf.<ref name="poinc04" /><ref name="poinc08" /> Dieses Mal verwarf er die Lösung, dass Bewegungen im Äther die Bewegungen der Materie kompensieren können, denn diese wären experimentell nicht feststellbar und somit wissenschaftlich unbrauchbar. Er verwarf auch das Konzept, dass Energie mit Masse verknüpft ist und schrieb im Zusammenhang mit dem Rückstoß während der Strahlungsemission:

{{Zitat
 |Text=Der Apparat wird zurückweichen, als ob er eine Kanone, und die Energie, die er ausgestrahlt hat, eine Kugel wäre, und dies widerspricht dem Newtonschen Prinzip, weil unser Geschoß hier keine Masse hat, es ist keine Materie, es ist Energie.}}

=== Impuls und Hohlraumstrahlung ===
Poincarés ursprüngliche Idee einer Verbindung vom Impuls und Masse mit elektromagnetischer Strahlung erwies sich jedoch als durchaus korrekt. Abraham erweiterte Poincarés Formalismus und führte das Konzept des „elektromagnetischen Impulses“ ein, dessen Felddichte ''E<sub>em</sub>/c'' pro cm² und ''E<sub>em</sub>/c<sup>2</sup>'' pro cm³ betrug. Im Gegensatz zu Lorentz und Poincaré fasste er dies als reale, und nicht als fiktive Größe auf, wodurch Impulserhaltung garantiert ist.<ref name="abraham" />

In diesem Zusammenhang erfolgten auch die Arbeiten [[Friedrich Hasenöhrl]]s (1904). Er studierte die Auswirkungen der Hohlraumstrahlung und errechnete, dass sie die Masse von bewegten Körpern erhöht.<ref name="hasen1" /> Er leitete die Formel ''m<sub>em</sub>=(8/3)E<sub>em</sub>/c<sup>2</sup>'' für die „scheinbare“ Masse aufgrund von Strahlung und Temperatur ab, d.&nbsp;h. durch elektromagnetischer Strahlung kann Masse von einem Körper auf den anderen übertragen werden. Abraham und er selbst korrigierten dies 1905, indem sie den {{Bruch|8|3}}-Faktor durch den {{Bruch|4|3}}-Faktor ersetzten, wodurch sie also dieselbe Formel erhielten wie für die elektromagnetische Masse.<ref name="hasen2" /><ref group="B">Miller (1981), 359-360</ref>

== Moderne Sicht ==
=== Äquivalenz von Masse und Energie ===
{{Hauptartikel|Äquivalenz von Masse und Energie}}
Die Idee, dass das Verhältnis von Masse, Energie, Geschwindigkeit, Impuls durch Betrachtungen zur dynamischen Struktur der Materie bestimmt werden muss, wurde gegenstandslos durch Albert Einstein, als dieser 1905 die [[Äquivalenz von Masse und Energie]] aus der speziellen Relativitätstheorie ableitete.<ref name="einstel" /><ref name="einst05" /><ref name="einst06" /> Aus ihr folgt, dass alle Formen von Energie zur Masse eines Körpers beitragen gemäß ''E/c<sup>2</sup>''.<ref group="B" name="pais" /> Im Gegensatz zur Annahme Poincaré wird daher durch Absorption oder Emission von Energie die Masse des absorbierenden Körpers selbst erhöht oder verringert, wodurch Poincarés Strahlungsparadoxon aufgelöst wird.<ref group="B" name="dar" /> Überdies musste die Idee, dass die Gravitation elektromagnetischen Ursprungs ist, mit der Entwicklung der [[Allgemeine Relativitätstheorie|allgemeinen Relativitätstheorie]] aufgegeben werden.

Jede Theorie, welche die dynamischen Zusammenhänge der Masse eines Körpers behandelt, muss daher von vorneherein nach relativistischen Gesichtspunkten formuliert werden. Dies ist der Fall bei der derzeit gültigen [[Quantenfeldtheorie|quantenfeldtheoretischen]] Erklärung der Masse von [[Elementarteilchen]] im Rahmen des [[Standardmodell]]s, dem [[Higgs-Mechanismus]]. Aufgrund dieses Mechanismus ist auch die Annahme, dass die Masse aller Körper vollständig durch dynamischen Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern bestimmt ist, nicht mehr relevant.

=== Relativistische Masse ===
Die Konzepte der longitudinalen und transversalen Masse (äquivalent mit denen von Lorentz) wurden auch von Einstein in seinen ersten Arbeiten zur Relativitätstheorie benutzt.<ref name="einstel" /> Hier gelten diese jedoch für die gesamte Masse, nicht nur für den elektromagnetischen Teil. Tolman (1912) zeigte jedoch, dass die damit zusammenhängende Definition von Masse als Quotient von Kraft und Beschleunigung unvorteilhaft ist.<ref name="Tolman" />  Wird stattdessen <math>\vec{F} = \mathrm{d}\vec{p}/\mathrm{d}t</math> benutzt, verschwinden die richtungsabhängigen Terme, und es ergibt sich die [[relativistische Masse]]

:<math>M=\frac{m_{0}}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}},\qquad m_{0}=\frac{E}{c^2}</math>.

Dieses Konzept wird in manchen Physiklehrbüchern bis heute verwendet. Viele bezeichnen es allerdings als überholt und sprechen nur noch von der „invarianten Masse“, welche dem älteren Begriff der Ruhemasse entspricht. Die Auswirkungen größerer Geschwindigkeiten werden stattdessen mittels der relativistischen Energie und des Impulses beschrieben.

=== Selbstenergie ===

In Spezialfällen wenn es um Fragen der [[Selbstenergie]] oder Selbstkraft von geladenen Teilchen geht, ist weiterhin die Verwendung einer „effektiven“ elektromagnetischen Masse sinnvoll – nicht mehr als Erklärung für die gesamte Masse der Materie, sondern als Ergänzung zur gewöhnlichen Masse. Dabei werden und wurden immer wieder Varianten und Abänderungen der Abraham-Lorentz-Gleichungen vorgeschlagen (um beispielsweise das 4/3-Problem zu lösen, s. nächsten Abschnitt). Dies steht auch im Zusammenhang mit der [[Renormierung]] im Rahmen von Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie. Quantenphysikalische Konzepte müssen berücksichtigt werden, wenn das Elektron als physikalisch punktförmig angesehen wird. Für größere Abstände kommen die klassischen Konzepte wieder ins Spiel.<ref group="B">Rohrlich (1997)</ref> Eine Ableitung der elektromagnetischen Selbstkräfte wurde beispielsweise durch Gralla et al. (2009) gegeben, welche auch den Beitrag der Selbstkraft zur Masse der Körper beinhaltet.<ref name="gralla" />

=== 4/3-Problem ===
[[Max von Laue]] (1911)<ref name="laue" /> benutzte ebenfalls die Abraham-Lorentz-Bewegungsgleichungen in seiner Weiterentwicklung der speziell-relativistischen Dynamik, wodurch auch hier der {{Bruch|4|3}}-Faktor auftritt wenn die elektromagnetische Masse aus dem Selbstfeld eines geladenen, kugelförmigen Elektrons berechnet wird. Dies steht nun im Widerspruch zur Äquivalenzformel, welche die Beziehung ''m<sub>em</sub>=E<sub>em</sub>/c<sup>2</sup>'' ohne den {{Bruch|4|3}}-Faktor verlangt, ansonsten würde der Viererimpuls nicht mehr korrekt als [[Vierervektor]] transformiert werden. Laue fand nun eine Lösung, welche äquivalent zu Poincarés Einführung eines nicht-elektromagnetischen Potentials war (Poincaré-Spannungen), jedoch konnte er ihre tiefere, relativistische Bedeutung aufzeigen, da er Minkowskis Raumzeitformalismus weiter entwickelte. Laues Formalismus erforderte, dass zusätzliche Komponenten und Kräfte auftreten, sodass räumlich ausgedehnte Systeme immer ein „geschlossenes System“ bilden, wo elektromagnetische und nicht-elektromagnetische Energien kombiniert sind. Obwohl also in der elektromagnetischen Masse weiterhin ein {{Bruch|4|3}}-Faktor auftritt, verschwindet er, wenn das gesamte System berücksichtigt wird, was letztendlich den Zusammenhang ''m<sub>tot</sub>=E<sub>tot</sub>/c<sup>2</sup>'' ergibt.<ref group="B" name="mil" /><ref group="B" name="janb" />

Alternative Lösungen fanden [[Enrico Fermi]] (1922),<ref name="fermi" /> [[Paul Dirac]] (1938),<ref name="dirac" /> [[Fritz Rohrlich]] (1960)<ref name="rohrlich" /> oder [[Julian Schwinger]] (1983).<ref name="schwinger" /> Sie zeigten, dass die vorangehenden Definitionen des Viererimpulses in Verbindung mit den Abraham-Lorentz-Gleichungen von vorneherein nicht Lorentz-kovariant waren, und setzten an ihre Stelle eine Formulierung, wodurch die elektromagnetische Masse einfach als ''m<sub>em</sub>=E<sub>em</sub>/c<sup>2</sup>'' geschrieben werden kann und der {{Bruch|4|3}}-Faktor überhaupt nicht aufscheint. Jeder Teil des Systems, egal ob geschlossen oder nicht, kann als Vierervektor transformiert werden. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die Stabilität der Elektronen und das {{Bruch|4|3}}-Problem entgegen früheren Anschauungen nicht miteinander verknüpft waren. Trotzdem sind (sofern das Elektron als ausgedehntes, kugelförmiges Objekt angesehen wird) ähnliche Mechanismen wie die Poincaré-Spannungen nötig, um die Stabilität der Elektronen aufrechtzuerhalten. In der Fermi-Rohrlich-Definition ist dies jedoch nur mehr ein dynamisches Problem und hat nichts mehr mit den Transformationseigenschaften des Systems zu tun.<ref group="B" name="jan" />

== Siehe auch ==
* [[Geschichte der speziellen Relativitätstheorie]]

== Einzelnachweise ==
'''Sekundärquellen'''
<references group="B" />

* {{Cite journal |author=Olivier Darrigol |title=The Genesis of the theory of relativity |year=2005 |journal=Séminaire Poincaré |volume=1 |pages=1–22 |url=http://www.bourbaphy.fr/darrigol2.pdf}}
* {{Literatur |Autor=R.P. Feynman |Datum=1970 |Titel=The Feynman Lectures on Physics |Kapitel=Electromagnetic mass |Band=2 |Ort=Reading |Verlag=Addison-Wesley Longman |ISBN=0-201-02115-3}}
* {{Literatur |Autor=Michel Janssen, Matthew Mecklenburg |Datum=2007 |Kapitel=From classical to relativistic mechanics: Electromagnetic models of the electron |Hrsg=V. F. Hendricks et al. |Titel=Interactions: Mathematics, Physics and Philosophy |Seiten=65–134 |Ort=Dordrecht |Verlag=Springer}}
* {{Literatur |Autor=Arthur I. Miller |Datum=1981 |Titel=Albert Einstein’s special theory of relativity. Emergence (1905) and early interpretation (1905–1911) |Ort=Reading |Verlag=Addison-Wesley |ISBN=0-201-04679-2}}
* {{Literatur |Autor=Abraham Pais |Datum=1982 |Titel=Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein |Kapitel=Electromagnetic Mass: The First Century |Ort=New York |Verlag=Oxford University Press |ISBN=0-19-520438-7}}
* {{Cite journal |author=F. Rohrlich |title=The dynamics of a charged sphere and the electron |year=1997 |journal=American Journal of Physics |volume=85 |issue=11 |pages=1051–1056 |doi=10.1119/1.18719}}
* {{Literatur |Autor=F. Rohrlich |Datum=2007 |Titel=Classical charged particles |Auflage=3 |Ort=Singapore |Verlag=World Scientific |ISBN=981-270-004-8}}

'''Primärquellen'''
<references>
<ref name="abraham">
{{Cite journal |doi=10.1002/andp.19023150105 |author=Abraham, Max |year=1903 |title=[[s:Prinzipien der Dynamik des Elektrons (1903)|Prinzipien der Dynamik des Elektrons]] |journal=Annalen der Physik |volume=315 |issue=1 |pages=105–179|bibcode = 1902AnP...315..105A}}
</ref>
<ref name="abraham04">
{{Cite journal |author=Max Abraham |year=1904 |title=[[s:Die Grundhypothesen der Elektronentheorie|Die Grundhypothesen der Elektronentheorie]] |journal=Physikalische Zeitschrift |volume=5 |pages=576–579}}
</ref>
<ref name="abraham05">
{{Literatur |Autor= |Datum=1905 |Titel=Theorie der Elektrizität: Elektromagnetische Theorie der Strahlung |Verlag=Teubner |Ort=Leipzig |Seiten=201–208 |Online=[http://www.archive.org/details/theoriederelekt04fpgoog Online]}}
</ref>
<ref name="bucherer">
{{Literatur |Autor=A. H. Bucherer |Datum=1904 |Titel=Mathematische Einführung in die Elektronentheorie |Verlag=Teubner |Ort=Leipzig |Online=[http://www.archive.org/details/mathematischeei00buchgoog Online]}}
</ref>
<ref name="dirac">
{{Cite journal |author=Paul Dirac |year=1938 |title=Classical Theory of Radiating Electrons |journal=Proceedings of the Royal Society of London A |volume=167 |issue=929 |pages=148–169 |url=http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k56260v/f164 |doi=10.1098/rspa.1938.0124}}
</ref>
<ref name="einstel">
{{Cite journal |doi=10.1002/andp.19053221004 |author=Albert Einstein |year=1905 |title=Zur Elektrodynamik bewegter Körper |journal=Annalen der Physik |volume=322 |issue=10 |pages=891–921|bibcode = 1905AnP...322..891E }}.
</ref>
<ref name="einst05">
{{Cite journal |doi=10.1002/andp.19053231314 |author=Albert Einstein |year=1905 |title=Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? |journal=Annalen der Physik |volume=323 |issue=13 |pages=639–643|bibcode = 1905AnP...323..639E}}
</ref>
<ref name="einst06">
{{Cite journal |doi=10.1002/andp.19063250814 |author=Albert Einstein |year=1906 |title=Das Prinzip von der Erhaltung der Schwerpunktsbewegung und die Trägheit der Energie |journal=Annalen der Physik |volume=325 |issue=8 |pages=627–633|bibcode = 1906AnP...325..627E}}
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<ref name="fermi">
{{Cite journal |author=Enrico Fermi |year=1922 |title=Über einen Widerspruch zwischen der elektrodynamischen und relativistischen Theorie der elektromagnetischen Masse |journal=Physikalische Zeitschrift |volume=23 |pages=340–344}}
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<ref name="gralla">
{{Cite journal |author=Samuel E. Gralla, Abraham I. Harte, Robert M. Wald |year=2009 |title=Rigorous derivation of electromagnetic self-force |journal=Physical Review D |volume=80 |issue=2 |pages=024031 |doi=10.1103/PhysRevD.80.024031 |arxiv=0905.2391}}
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<ref name="hasen1">
{{Cite journal |doi=10.1002/andp.19043201206 |author=Friedrich Hasenöhrl |year=1904 |title=[[s:Zur Theorie der Strahlung in bewegten Körpern|Zur Theorie der Strahlung in bewegten Körpern]] |journal=Annalen der Physik |volume=320 |issue=12 |pages=344–370|bibcode = 1904AnP...320..344H}}
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<ref name="hasen2">
{{Cite journal |doi=10.1002/andp.19053210312 |author=Friedrich Hasenöhrl |year=1905 |title=[[s:Zur Theorie der Strahlung in bewegten Körpern. Berichtigung|Zur Theorie der Strahlung in bewegten Körpern. Berichtigung]] |journal=Annalen der Physik |volume=321 |issue=3 |pages=589–592|bibcode = 1905AnP...321..589H}}
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<ref name="heav">
{{Cite journal |author=Oliver Heaviside |year=1889 |title=[[s:en:Motion of Electrification through a Dielectric|On the Electromagnetic Effects due to the Motion of Electrification through a Dielectric]] |journal=Philosophical Magazine |volume=27 |issue=167 |pages=324–339}}
</ref>
<ref name="kauf02">
{{Cite journal |author=Kaufmann, Walter |year=1902 |title=Die elektromagnetische Masse des Elektrons |journal=Physikalische Zeitschrift |volume=4 |issue=1b |pages=54–56}}
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<ref name="kauf05">
{{Cite journal |author=Walter Kaufmann |year=1905 |title=Über die Konstitution des Elektrons |journal=Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften |volume=45 |pages=949–956}}
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<ref name="kauf06">
{{Cite journal |author=Walter Kaufmann |year=1906 |title=Über die Konstitution des Elektrons |journal=Annalen der Physik |volume=324 |issue=3 |pages=487–553}}
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<ref name="laue">
{{Literatur |Autor=Max von Laue |Datum=1911 |Titel=Das Relativitätsprinzip |Verlag=Vieweg |Ort=Braunschweig |Online=[http://www.archive.org/details/dasrelativittsp00lauegoog Online]}}
</ref>
<ref name="lor92">
{{Cite journal |author=Hendrik Antoon Lorentz |year=1892 |title=La Théorie électromagnétique de Maxwell et son application aux corps mouvants |journal=Archives néerlandaises des sciences exactes et naturelles |volume=25 |pages=363–552 |url=http://www.archive.org/details/lathorielectrom00loregoog}}
</ref>
<ref name="lor95">
{{Literatur |Autor=Hendrik Antoon Lorentz |Datum=1895 |Titel=[[s:Versuch einer Theorie der electrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern|Versuch einer Theorie der electrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern]] |Ort=Leiden |Verlag=E.J. Brill}}
</ref>
<ref name="lor99">
{{Cite journal |author=Hendrik Antoon Lorentz |year=1899 |title=[[s:en:Simplified Theory of Electrical and Optical Phenomena in Moving Systems|Simplified Theory of Electrical and Optical Phenomena in Moving Systems]] |journal=Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences |volume=1 |pages=427–442}}
</ref>
<ref name="lor04">
{{Literatur |Autor=Hendrik Antoon Lorentz |Datum=1913 |Kapitel=[[s:Elektromagnetische Erscheinungen|Elektromagnetische Erscheinungen in einem System, das sich mit beliebiger, die des Lichtes nicht erreichender Geschwindigkeit bewegt]] |Titel=Das Relativitätsprinzip. Eine Sammlung von Abhandlungen |Hrsg=Otto Blumenthal, Arnold Sommerfeld |Seiten=6-26}}
</ref>
<ref name="poinc00">
{{Cite journal |author=Henri Poincaré |year=1900 |title=[[s:fr:La théorie de Lorentz et le principe de réaction|La théorie de Lorentz et le principe de réaction]] |journal=Archives néerlandaises des sciences exactes et naturelles |volume=5 |pages=252–278}}
Siehe auch deutsche Übersetzung; {{archive.org|PoincareReaktion |Blatt=}}.
</ref>
<ref name="poinc04">
{{Literatur |Autor=Henri Poincaré |Datum=1906 |Kapitel=[[s:Der gegenwärtige Zustand und die Zukunft der mathematischen Physik|Der gegenwärtige Zustand und die Zukunft der mathematischen Physik]] |Titel=Der Wert der Wissenschaft (Kap. 7-9) |Seiten=129-159 |Verlag=B.G. Teubner |Ort=Leipzig}}
</ref>
<ref name="poinc05">
{{Cite journal |author=Henri Poincaré |year=1905 |title=[[s:fr:Sur la dynamique de l’électron (juin)|Sur la dynamique de l’électron]] |journal=Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences |volume=140 |pages=1504–1508}}
Siehe auch deutsche Übersetzung; {{archive.org|PoincareDynamikA |Blatt=}}.
</ref>
<ref name="poinc06">
{{Cite journal |author=Henri Poincaré |year=1906 |title=[[s:fr:Sur la dynamique de l’électron (juillet)|Sur la dynamique de l’électron]] |journal=Rendiconti del Circolo matematico di Palermo |volume=21 |pages=129–176}}
Siehe auch deutsche Übersetzung; {{archive.org|PoincareDynamikB |Blatt=}}.
</ref>
<ref name="poinc06b">
{{Cite journal |author=enri Poincaré |year=1906 |title=[[s:Das Ende der Materie|Das Ende der Materie]] |journal=Athenæum}}
</ref>
<ref name="poinc08">
{{Literatur |Autor=Henri Poincaré |Datum=2003 |Titel=Wissenschaft und Methode |Ort=Berlin |Verlag=Xenomos |ISBN=3-936532-31-1}}
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<ref name="rohrlich">
{{Cite journal |author=Fritz Rohrlich |year=1960 |title=Self-Energy and Stability of the Classical Electron |journal=American Journal of Physics |volume=28 |issue=7 |pages=639–643 |doi=10.1119/1.1935924}}
</ref>
<ref name="schwinger">
{{Cite journal |author=Julian Schwinger |year=1983 |title=Electromagnetic mass revisited |journal=Foundations of Physics |volume=13 |issue=3 |pages=373-383 |doi=10.1007/BF01906185}}
</ref>
<ref name="searle">
{{Cite journal |author=George Frederick Charles Searle |year=1897 |title=[[s:en:On the Steady Motion of an Electrified Ellipsoid|On the Steady Motion of an Electrified Ellipsoid]] |journal=Philosophical Magazine |volume=44 |issue=269 |pages=329–341}}
</ref>
<ref name="stokes">
{{Cite journal |author=George Gabriel Stokes |year=1844 |journal=Transactions of the Cambridge Philosophical Society |volume=8 |issue=1 |title=On some cases of fluid motion |pages=105–137}}
{{archive.org|transactionsofca08camb|Blatt=}}
</ref>
<ref name="thomson">
{{Cite journal |author=Thomson, Joseph John |year=1881 |title=[[s:en:On the Electric and Magnetic Effects produced by the Motion of Electrified Bodies|On the Electric and Magnetic Effects produced by the Motion of Electrified Bodies]] |journal=Philosophical Magazine |volume=11 |issue=68 |pages=229–249}}
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<ref name="thomson2">
{{Literatur |Autor=Joseph John Thomson |Datum=1893 |Titel=Notes on recent researches in electricity and magnetism |Verlag=Clarendon Press |Ort=Oxford}}
</ref>
<ref name="Tolman">
{{Cite journal|author=R. Tolman |year=1912 |title=[[s:en:The Mass of a Moving Body|Non-Newtonian Mechanics. The Mass of a Moving Body.]]|journal=Philosophical Magazine |volume=23| pages=375–380}}
</ref>
<ref name="wien">
{{Cite journal |author=Wilhelm Wien |year=1900 |title=[[s:Über die Möglichkeit einer elektromagnetischen Begründung der Mechanik|Über die Möglichkeit einer elektromagnetischen Begründung der Mechanik]] |journal=Annalen der Physik |volume=310 |issue=7 |pages=501–513 |doi=10.1002/andp.19013100703}}
</ref>
</references>

[[Kategorie:Spezielle Relativitätstheorie]]
[[Kategorie:Überholte Theorie (Physik)]]