Масса — физическая величина¶
Масса — одна из основных физических величин, характеризующих материальные тела и поля. В классической механике масса тела определяет его инертность (способность сопротивляться изменению скорости движения) и гравитационные свойства (способность создавать и испытывать гравитационное воздействие). В Международной системе единиц (СИ) единица массы — килограмм (кг), являющийся одной из семи основных единиц СИ.
¶История понятия
Понятие массы восходит к античности: Аристотель различал «вес» тела и его «количество материи», хотя строгого математического определения не дал. Существенный вклад в формирование понятия внесли Галилео Галилей (исследование инертности) и Иоганн Кеплер, введший понятие «количества материи».
В 1687 году Исаак Ньютон в «Математических началах натуральной философии» сформулировал закон всемирного тяготения и определил массу через гравитационное взаимодействие: сила притяжения между двумя телами пропорциональна произведению их масс. Одновременно Ньютон определил массу через инертность — сопротивление тела изменению скорости (второй закон механики: сила равна произведению массы на ускорение).
В XIX веке Михаил Ломоносов и Антуан Лавуазье сформулировали закон сохранения массы: масса замкнутой системы остаётся постоянной при любых физических и химических превращениях. Это закрепило представление о массе как неизменной характеристике тела.
¶Масса в классической механике
В ньютоновской механике масса выступает в двух взаимосвязанных ролях:
- Инертная масса — коэффициент пропорциональности между силой и ускорением тела (F = ma). Чем больше масса, тем труднее изменить скорость тела.
- Гравитационная масса — коэффициент в законе всемирного тяготения, определяющий силу притяжения между телами.
Экспериментально установлено, что инертная и гравитационная массы совпадают с высокой точностью (проверяется, например, в опытах Этьена Эёшена и Ролла, а также в современных гравитационных экспериментах). Этот факт лёг в основу принципа эквивалентности, сформулированного Альбертом Эйнштейном и ставшего фундаментом общей теории относительности.
¶Масса в теории относительности
В специальной теории относительности (1905) Эйнштейн показал, что масса тела зависит от его скорости: при приближении к скорости света инертная масса растёт. Это выражается в понятии покоящейся массы (инвариантной массы) и относительной массы (E = mc², где E — полная энергия, c — скорость света).
Формула E = mc² показала эквивалентность массы и энергии: небольшое количество массы может быть преобразовано в огромное количество энергии (и наоборот). Это объясняет энергию ядерных реакций, в которых небольшая разница масс продуктов и исходных веществ превращается в энергию.
В общей теории относительности масса определяет кривизну пространства-времени, а гравитация трактуется как проявление этой кривизны.
¶Единицы измерения массы
| Единица | Обозначение | Система | Примечание |
|---|---|---|---|
| Килограмм | кг | СИ | Основная единица, определена через постоянную Планка с 2019 года |
| Грамм | г | СИ | 1 г = 0,001 кг |
| Тонна | т | СИ | 1 т = 1000 кг |
| Фунт | lb | Британская | ≈ 0,4536 кг |
| Карат | ct | Метрическая | 1 ct = 0,2 г |
До 2019 года килограмм определялся через эталон — платино-иридиевый цилиндр, хранившийся в Международном бюро мер и весов в Севре (Франция). 20 мая 2019 года килограмм был переопределён через фиксированное значение постоянной Планка, что сделало единицу массы независимой от материальных эталонов.
¶Масса и энергия в ядерной физике
В ядерной физике масса атома определяется как сумма масс нуклонов за вычетом энергии связи (дефекта массы). Например, масса ядра гелия-4 меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов; разница (около 0,8 %) преобразуется в энергию связи, удерживающую ядро. Этот принцип лежит в основе термоядерных реакций, включая синтез в звёздах и термоядерное оружие.
¶Масса в системе СИ: современное определение
С 20 мая 2019 года килограмм определяется через фиксированное значение постоянной Планка h = 6,62607015 × 10⁻³⁴ Дж·с. Это позволило реализовать килограмм с помощью ваттных весов — установок, измеряющих массу через электромагнитную силу с точностью, сопоставимой с эталоном. В России подобные исследования ведутся в Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева (ВНИИМ) в Санкт-Петербурге.
¶Интересные факты
- Масса Земли составляет около 5,97 × 10²⁴ кг.
- Масса Солнца примерно в 333 000 раз больше массы Земли.
- В ходе ядерного синтеза в Солнце ежесекундно около 4 миллионов тонн массы преобразуются в энергию света и тепла.
- Понятие «вес» в физике отличается от массы: вес — это сила притяжения, действующая на тело, и зависит от ускорения свободного падения в месте измерения.
Источники:
- Ньютон И. «Математические начала натуральной философии» (1687)
- Эйнштейн А. «К электродинамике движущихся тел» (1905)
- Международное бюро мер и весов (BIPM). Документы по реформе СИ (2019)
- Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров
- Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. «Теоретическая физика», т. II: «Теория поля»