Масса

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

У этого термина существуют и другие значения, см. Масса (город) и Масса (мера счёта).

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.

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

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.
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).

Содержание

1 Исследование единства понятия массы
2 Определение массы
- 2.1 Масса составных и нестабильных систем
3 Единицы массы
4 Измерение массы
5 Исторический очерк
6 Примечания
7 Литература

[править] 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. 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. На сегодняшний день слабый принцип эквивалентности экспериментально проверен с очень высокой степенью точности (3×10⁻¹³).

Масса в классической механике есть величина аддитивная (масса системы равна сумме масс составляющих её тел) и инвариантная относительно смены системы отсчёта. Масса инвариантна и в релятивистской механике, хотя здесь под массой понимается масса покоя определённого тела — абсолютная величина 4-вектора энергии-импульса, лоренц-инвариантная, но неаддитивная величина. 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 ^[1].

[править] Определение массы

Основная статья: Инвариантная масса

В современной физике масса тела m определяется из уравнения релятивистской динамики ^[2]:

$m^2 = \frac{E^2}{c^4} - \frac{\boldsymbol{p}^2}{c^2}$ ,

где E — полная энергия свободного тела, p — его импульс, c — скорость 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 $m = \frac{E_0}{c^2}$ — 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.

Существование массы у частиц в Стандартной Модели физики элементарных частиц объясняется взаимодействием частиц с полем бозонов Хиггса.

[править] 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: $\Delta m \approx \frac{\hbar}{\tau c^2}$ . При описании такой системы при помощи квантовой механики удобно считать массу комплексной, с мнимой частью равной означенному Δm.

[править] Единицы массы

Тройская унция, золото

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

[править] Измерение массы

Основная статья: Весы

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

[править] 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 ^[3].

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.

[править] Примечания

↑ См., например, дискуссию в «Успехах физических наук», вып.12, 2000: письмо Окуня).
↑ Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7, § 9. Энергия и импульс.
↑ Спасский Б. И.. История физики. М., «Высшая школа», 1977, том I, с. 135—137.

[править] Литература

Окунь Л. Б. О письме Р. И. Храпко «Что есть масса?». Успехи физических наук, № 170, с.1366 (2000)
Спасский Б. И.. История физики. М., «Высшая школа», 1977.