Масса является одной из фундаментальных физических величин, характеризующих инертные и гравитационные свойства объектов. Но как именно обозначается эта важнейшая характеристика вещества? Какие существуют основные единицы для измерения массы и как они соотносятся между собой? Давайте разберемся.
Определение понятия "масса" в физике
В современной науке под массой понимают скалярную физическую величину, определяющую инертные и гравитационные свойства тел. Она характеризует количество вещества в объекте и является мерой его инертности, то есть сопротивления изменению своего движения.
Ма́сса — скалярная физическая величина, определяющая инерционные и гравитационные свойства тел в ситуациях, когда их скорость намного меньше скорости света[1].
В обыденной речи часто используют термин "вес" вместо "массы". Однако это совершенно разные понятия. Вес зависит от силы притяжения к другим телам и может меняться, а масса является неизменной характеристикой. Например, в условиях невесомости вес тел становится равным нулю, в то время как их масса остается прежней.
Единицы измерения массы
В Системе Интернациональных Единиц (СИ) масса измеряется в килограммах (кг). Ранее эталоном 1 кг служил специальный цилиндр из платиново-иридиевого сплава, хранящийся в Международном бюро мер и весов во Франции. Однако в 2018 году его заменили на эталон, основанный на фундаментальных физических константах.
Помимо основной единицы СИ, используются и другие:
- Грамм (г) - 1/1000 килограмма
- Тонна (т) - 1000 килограмм
- Фунт (фунт) - 0,45359237 кг
- Унция (унц.) - 1/16 фунта или 28,349523125 г
Для измерения сверхмалых и сверхбольших масс применяются естественные системы единиц на основе фундаментальных физических констант, например планковская или атомная.
Методы измерения массы
Для измерения массы тел в земных условиях чаще всего используются весы, основанные на принципе эквивалентности гравитационной и инертной масс. Масса при этом определяется по весу тела. Существуют механические (пружинные, рычажные) и электронные весы.
В условиях невесомости применяются специальные массметры. Их действие основано на зависимости периода колебаний маятника от массы груза.
Массы элементарных и нестабильных частиц можно измерить по энергии их распада или тормозному излучению в магнитном поле.
Массы небесных тел определяют исходя из гравитационного взаимодействия по закону всемирного тяготения Ньютона.
Закон сохранения массы
Ранее одним из фундаментальных законов физики считался закон сохранения массы. Он гласит, что масса изолированной системы тел остается постоянной, независимо от происходящих в ней процессов. Однако в начале XX века выяснилось, что этот закон является лишь частным случаем более общего закона сохранения энергии.
Релятивистские эффекты
В теории относительности показано, что масса тела зависит от его скорости. Чем ближе скорость к световой, тем больше отличается релятивистская масса от массы покоя. При достижении скорости света масса становится бесконечной.
Кроме того, в релятивистской механике масса не является аддитивной величиной - масса системы частиц не равна сумме их масс. Она зависит также от взаимодействия между частицами.
Безмассовые и массивные частицы
В физике элементарных частиц различают безмассовые (или люксоны) и массивные (тардионы) частицы. К люксонам относятся фотоны, глюоны и гравитоны - они могут двигаться только со скоростью света. Массивные частицы имеют скорость меньше световой. Примеры тардионов - электроны, протоны, нейтроны.
Масса и поле Хиггса
Согласно современным представлениям, наличие массы у элементарных частиц связано с их взаимодействием с полем Хиггса. Чем сильнее это взаимодействие, тем больше масса частицы. Таким образом обозначается масса на квантовом уровне.
Единицы массы в астрофизике
При описании космических объектов в астрофизике часто используется единица массы, равная массе Солнца. Она обозначается как 1 M☉ и равна примерно 2*10^30 кг.
Массы очень больших объектов, таких как галактики и скопления галактик, могут достигать 10^12-10^14 M☉. Масса наблюдаемой части Вселенной оценивается примерно в 10^53 кг.
Частицы без определенной массы
В квантовой физике существуют частицы, не имеющие определенного значения массы. К ним относятся некоторые типы нейтрино, а также нейтральные мезоны - K-мезоны, B-мезоны, D-мезоны.
Такие частицы представляют собой суперпозицию нескольких массовых состояний. Например, K-мезон является линейной комбинацией двух состояний с чуть различающимися массами. Хотя строго говоря масса у него неопределенна, на практике это различие настолько мало, что используется некое усредненное значение.
Отрицательные и мнимые массы
Теоретически допустимо существование частиц с отрицательной или мнимой массой. Однако пока не получено убедительных экспериментальных свидетельств их существования.
Частицы с отрицательной массой имели бы отрицательную энергию и двигались бы в сторону, противоположную приложенной силе. А тахионы с мнимой массой всегда движутся со сверхсветовой скоростью.
Масса и антимасса
У каждой элементарной частицы есть соответствующая античастица с той же массой, но противоположными квантовыми числами. Например, у электрона и позитрона массы одинаковы, но заряды противоположны.
При взаимной аннигиляции частицы и античастицы их масса полностью превращается в энергию в соответствии с формулой E=mc^2.
Изменение массы в химических реакциях
Хотя в ядерных и термоядерных реакциях масса частей превращается в энергию, в обычных химических процессах закон сохранения массы выполняется очень точно. Например, при горении масса исходных веществ и продуктов отличается менее чем на 0,1%.
Это связано с тем, что при перестройке молекул и атомов выделяющаяся энергия очень мала по сравнению с энергией покоя вещества.
