Масса

Материал из ВикиЭнерго
Перейти к: навигация, поиск

Ма́сса — одна из важнейших физических величин. Первоначально она характеризовала «количество вещества» в физическом объекте, от которого, по представлениям того времени, зависели как способность объекта сопротивляться приложенной силе (инертность), так и гравитационные свойства.

Изображение получено с сайта Википедии


Содержание


В современной физике под массой понимают два различных свойства физического объекта:

  • Гравитационная масса показывает, с какой силой тело взаимодействует с внешними гравитационными полями (пассивная гравитационная масса) и какое гравитационное поле создаёт само это тело (активная гравитационная масса).
  • Инертная масса, которая характеризует меру инертности тел и фигурирует во втором законе Ньютона.
    • Если одна и та же сила (кроме гравитации) одинаково ускоряет разные тела, этим телам приписывают одинаковую массу.
    • Масса тела не зависит от того, какие силы и в какой момент на него действуют.

Исследование единства понятия массы

Как установлено экспериментально, эти две массы пропорциональны друг другу. Не было обнаружено никаких отклонений от этого закона, поэтому коэффициент пропорциональности обычно выбирают равным единице и говорят о равенстве инертной и гравитационной масс. Равенство инертной и гравитационной масс составляет содержание слабого принципа эквивалентности — составной части эйнштейновского принципа эквивалентности, который является одним из основных положений общей теории относительности. На равенство инертной и гравитационной масс обратил внимание ещё Ньютон, он же впервые проверил этот закон с точностью порядка 10−3 (это в каких единицах измерения?). С другой стороны, можно сказать, что первая проверка принципа эквивалентности была выполнена ещё Галилеем, который открыл универсальность свободного падения — как стало понятно позже, независимость ускорения свободного падения от материала, из которого состоит тело, является следствием равенства инертной и гравитационной масс. (каким образом одно из другого следует?) На сегодняшний день слабый принцип эквивалентности экспериментально проверен с очень высокой степенью точности (3×10−13)(это в каких единицах измерения?). Существует также сильный принцип эквивалентности - по которому в свободно падающей системе локально выполняется СТО. Он на сегодняшний день проверен со значительно меньшей точностью.

В классической механике - масса есть величина аддитивная (масса системы равна сумме масс составляющих её тел) и инвариантная относительно смены системы отсчёта.

В релятивистской механике масса неаддитивная величина, но тоже инвариантная, и хотя здесь под массой понимается абсолютная величина 4-вектора энергии-импульса, лоренц-инвариантная.

Гравитационная масса — характеристика материальной точки при анализе классической механики, которая полагается причиной гравитационного взаимодействия тел, в отличие от инертной массы, которая определяет динамические свойства тел.

Согласно опытам Г. Галилея по наблюдению свободного падения тел, все тела, независимо от их массы, падают с одинаковым ускорением. Это означает, что увеличение силы, действующей на более массивное тело со стороны гравитационного поля Земли, полностью компенсируется увеличением его инертных свойств. Следовательно, гравитационная масса равна (строго говоря, пропорциональна) инертной массе, что приводит к представлению о единой массе, которая и входит в закон всемирного тяготения.

Фактически, равенство гравитационной и инертной масс было сформулировано А. Эйнштейном в виде принципа эквивалентности, положенного в основу общей теории относительности.

Введение так называемой релятивистской массы, зависящей от величины скорости тела в рассматриваемой системе отсчёта, использовалось в ранних работах по теории относительности. В настоящее время термины «релятивистская масса» и «масса покоя» считаются устаревшими См., например, дискуссию в «Успехах физических наук», вып.12, 2000: письмо Окуня).

Определение массы

В СТО масса тела m определяется из уравнения релятивистской динамики (Книга:Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.: Теория поля 1988), § 9. Энергия и импульс.:

Файл:623d0f7512f6a8c59856934609fc1afb.jpg,

где E — полная энергия свободного тела, p — его импульс, cскорость света.

Определённая выше масса является релятивистским инвариантом, то есть она одна и та же во всех системах отсчёта. Если перейти в систему отсчёта, где тело покоится, то Файл:54f92de2845176d4de76f96f58c94fe3.jpg — масса определяется энергией покоя.

Следует однако отметить, что частицы с нулевой инвариантной массой (фотон, гравитон… ) двигаются в вакууме со скоростью света (c ≈ 300000 км/сек) и поэтому не обладают системой отсчёта, в которой бы покоились.

Масса составных и нестабильных систем

Инвариантная масса элементарной частицы постоянна, и одинакова у всех частиц данного типа и их античастиц. Однако, масса массивных тел, составленных из нескольких элементарных частиц (например, ядра или атома) может зависеть от их внутреннего состояния.

Для системы, подверженной распаду (например, радиоактивному), величина энергии покоя определена лишь с точностью до постоянной Планка, делённой на время жизни: Файл:82ad62a87fe1711d94e55809baf5c995.jpg. При описании такой системы при помощи квантовой механики удобно считать массу комплексной, с мнимой частью равной означенному Δm.

Единицы массы

Тройская унция, золото. Изображение получено с сайта Википедии

В системе СИ масса измеряется в килограммах. В системе СГС используются граммы. Иногда используются также другие единицы измерения массы.

Измерение массы

Остновная статья: Весы

Исторический очерк

Понятие массы было введено в физику Ньютоном, до этого естествоиспытатели оперировали с понятием веса. В труде «Математические начала натуральной философии» Ньютон сначала определил «количество материи» в физическом теле как произведение его плотности на объём. Далее он указал, что в том же смысле будет использовать термин масса. Наконец, Ньютон вводит массу в законы физики: сначала во второй закон Ньютона (через количество движения), а затем — в закон тяготения, откуда сразу следует, что масса пропорциональна весу Спасский Б. И.. История физики. М., «Высшая школа», 1977, том I, с. 135—137.

Фактически Ньютон использует только два понимания массы: как меры инерции и источника тяготения. Толкование её как меры «количества материи» — не более чем наглядная иллюстрация, и оно подверглось критике ещё в XIX веке как нефизическое и бессодержательное.

Долгое время одним из главных законов природы считался закон сохранения массы. Однако в XX веке выяснилось, что этот закон является ограниченным вариантом закона сохранения энергии, и во многих ситуациях не соблюдается.


Литература

  • Макс Джеммер. Понятие массы в классической и современной физике. — М.: Прогресс, 1967.

Первоначальная версия этой статьи была взята из русской Википедии на условиях лицензии GNU FDL. Авторы: http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Масса&action=history
Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Инструменты