Кіріспе
Заттың құрамындағы материяның мөлшері – ғылыми ұғым. Масса – дененің ішкі қасиеті. Бұрын, атом және бөлшектер физикасы ашылғанға дейін, масса денедегі материяның мөлшерімен байланысты деп есептелген. Бірақ, әртүрлі атомдар мен элементар бөлшектердің, теориялық тұрғыдан бірдей материя мөлшеріне ие болғанымен, массалары әртүрлі екені анықталды. Қазіргі физикада массаның бірнеше анықтамасы бар, олар түсінік жағынан ерекшеленеді, бірақ физикалық жағынан эквивалентті. Масса эксперименттік жолмен дененің инерциясының өлшемі ретінде анықталады, яғни, сыртқы күш әсер еткен кезде жылдамдық өзгеруіне қарсылық. Дене массасы басқа денелерге тартылу күшін де анықтайды. Массаның SI жүйесіндегі негізгі бірлігі – килограмм (кг). Физикада масса мен салмақ бір емес, тіпті масса көбінесе дененің салмағын өлшеу арқылы анықталады, бірақ бұл үшін белгілі массамен тікелей салыстыратын тепе-теңдік тартқышы емес, серіппелі тартқыш қолданылады. Айталық, Ай бетіндегі дененің салмағы Жердегіден азырақ болады, себебі Айдың гравитациясы төмен, бірақ массасы өзгермейді. Өйткені салмақ – күш, ал масса – осы күштің шамасын анықтайтын қасиет (гравитациямен бірге). Физиканың Стандартты Моделінде элементар бөлшектердің массасы олардың Хиггс бозонымен өзара әрекеттесуінің нәтижесі деп саналады, бұл Брут-Энглерт-Хиггс механизмі деп аталады.
the scientific concept
Mass is an intrinsic property of a body. It was traditionally believed to be related to the quantity of matter in a body, until the discovery of the atom and particle physics. It was found that different atoms and different elementary particles, theoretically with the same amount of matter, have nonetheless different masses. Mass in modern physics has multiple definitions which are conceptually distinct, but physically equivalent. Mass can be experimentally defined as a measure of the body's inertia, meaning the resistance to acceleration (change of velocity) when a net force is applied. The object's mass also determines the strength of its gravitational attraction to other bodies. The SI base unit of mass is the kilogram (kg). In physics, mass is not the same as weight, even though mass is often determined by measuring the object's weight using a spring scale, rather than balance scale comparing it directly with known masses. An object on the Moon would weigh less than it does on Earth because of the lower gravity, but it would still have the same mass. This is because weight is a force, while mass is the property that (along with gravity) determines the strength of this force. In the Standard Model of physics, the mass of elementary particles is believed to be a result of their coupling with the Higgs boson in what is known as the Brout Englert Higgs mechanism.
құбылыстар
Массаны өлшеу үшін бірнеше ерекше құбылыстар қолданылады. Кейбір теоретиктер осы құбылыстардың бір бөлігі бір-бірінен тәуелсіз болуы мүмкін деген болжамдар жасағанмен, қазіргі эксперименттер оны қалай өлшегеніне қарамастан нәтижелерде ешқандай айырмашылықты көрсетпеді: Инерциялық масса – объектінің күш әсерінен жылдамдатылуға қарсы келуін өлшейді (1=F = ma) қатынасы арқылы көрсетіледі. Активті гравитациялық масса – объектінің тудыратын гравитациялық өрісінің күшін анықтайды. Пассивті гравитациялық масса – белгілі гравитациялық өрісте объектіге әсер ететін гравитациялық күшті өлшейді. Объектінің массасы оның қолданған күштің әсерінен қандай үдеуге ие болатынын анықтайды. Инерция және инерциялық масса физикалық денелердің осы қасиеттерін сапалық және сандық деңгейде сипаттайды. Ньютонның екінші қозғалыс заңына сәйкес, егер m тұрақты массасы бар денеге F күші әсер етсе, оның үдеуі a = F/m формуласымен беріледі. Дененің массасы сондай-ақ гравитациялық өрісті тудыру және оған ұшырау дәрежесін анықтайды. Егер массасы mA бірінші дене массасы mB екінші денеден r қашықтықта (масса орталығынан масса орталығына) орналасса, әр дене тартымды күш 1=Fg = GmAmB/r2 әсеріне ұшырайды, мұнда G – «жалпы гравитациялық тұрақты». Бұл кейде гравитациялық масса деп аталады. 17 ғасырдан бері жүргізілген эксперименттер инерциялық және гравитациялық массаның бірдей екенін көрсетті; 1915 жылдан бастап бұл байқау жалпы салыстырмалылық теориясының эквиваленттілік принципіне априори енгізілді.
Inertial mass measures an object's resistance to being accelerated by a force (represented by the relationship 1=F = ma). Active gravitational mass determines the strength of the gravitational field generated by an object. Passive gravitational mass measures the gravitational force exerted on an object in a known gravitational field. The mass of an object determines its acceleration in the presence of an applied force. The inertia and the inertial mass describe this property of physical bodies at the qualitative and quantitative level respectively. According to Newton's second law of motion, if a body of fixed mass m is subjected to a single force F, its acceleration a is given by F/m. A body's mass also determines the degree to which it generates and is affected by a gravitational field. If a first body of mass mA is placed at a distance r (center of mass to center of mass) from a second body of mass mB, each body is subject to an attractive force 1=Fg = GmAmB/r2, where is the "universal gravitational constant". This is sometimes referred to as gravitational mass. Repeated experiments since the 17th century have demonstrated that inertial and gravitational mass are identical; since 1915, this observation has been incorporated a priori in the equivalence principle of general relativity.
Анықтамалар
Физикалық ғылымда кем дегенде жеті түрлі масса аспектісін немесе масса ұғымын қамтитын жеті физикалық ұғымды тұжырымдамалық тұрғыдан ажыратуға болады. Бүгінгі күнге дейінгі барлық тәжірибелер осы жеті шаманың пропорционал екенін және кейбір жағдайларда тең екенін көрсетті, ал осы пропорционалдық массаның абстрактілі ұғымын тудырады. Массаны өлшеудің немесе операциялық түрде анықтаудың бірнеше тәсілі бар: Инерциялық масса – күш қолданған кезде дененің үдеуге қарсы кедергісінің өлшемі. Ол денге күш қолданып, осы күштің нәтижесінде туындаған үдеуді өлшеу арқылы анықталады. Кішкентай инерциялық массасы бар дененің үдеуі, сол күш әсер еткенде үлкен инерциялық массасы бар дененің үдеуінен артық болады. Көбірек массасы бар дененің инерциясы жоғары дейді. Активті гравитациялық масса – дененің гравитациялық ағынының күшін өлшейтін шама (гравитациялық ағын – жабық беттегі гравитациялық өрістің беттік интегралына тең). Гравитациялық өрісті кішкентай «сынақ денені» еркін түсуге жіберіп, оның еркін түсу үдеуін өлшеу арқылы өлшеуге болады. Мысалы, Айға жақын еркін түсетін дененің гравитациялық өрісі Жерге жақын еркін түсетін дененің гравитациялық өрісінен әлсіз болады, сондықтан ол баяу үдейді. Ай маңындағы гравитациялық өріс әлсіз, себебі Айдың активті гравитациялық массасы аз. Пассивті гравитациялық масса – дененің гравитациялық өріспен өзара әрекеттесуінің күшін өлшейтін шама. Пассивті гравитациялық массаны дененің салмағын оның еркін түсу үдеуіне бөлу арқылы анықтайды. Бір гравитациялық өрістегі екі дененің үдеуі бірдей болады; алайда, пассивті гравитациялық массасы аз дененің сезетін күші (салмағы) пассивті гравитациялық массасы көп дененің күшінен азырақ болады. Релятивистік теорияға сәйкес, масса – бөлшектер жүйесінің тоқтау энергиясы, яғни жүйенің нөлдік импульсі бар анықтамалық жүйедегі энергиясы. Массаны энергияның басқа түрлеріне масса-энергия эквиваленттілігі принципі бойынша түрлендіруге болады. Бұл эквиваленттілік жұптардың тууы, бета-ыдырау және ядролық синтез сияқты көптеген физикалық процестерде көрінеді. Жұптардың тууы және ядролық синтез – өлшенетін массаның кинетикалық энергияға немесе керісінше түрлену процестері. Кез-келген уақыт-кеңістіктің қисықтығы – массаның бар екендігінің релятивистік көрінісі. Мұндай қисықтық өте әлсіз және өлшеу қиын. Сондықтан, қисықтық Айнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы болжағаннан кейін ғана анықталды. Мысалы, Жер бетіндегі өте дәл атомдық сағаттар, ғарыштағы ұқсас сағаттармен салыстырғанда, аз уақытты өлшейді (баяу жүреді). Өткен уақыттың айырмашылығы гравитациялық уақыттың созылуы деп аталатын қисықтықтың бір түрі. Gravity Probe B спутнигі арқылы қисықтықтың басқа түрлері де өлшенді. Кванттық масса дененің кванттық жиілігі мен толқын саны арасындағы айырмашылық ретінде көрінеді. Кванттық масса бөлшектің кері Комптоның толқын ұзындығына пропорционал және оны спектроскопияның әртүрлі түрлері арқылы анықтауға болады. Релятивистік кванттық механикада масса – Пуанкаре тобының икемдеусіз бейнелеу белгілерінің бірі.
Inertial mass is a measure of an object's resistance to acceleration when a force is applied. It is determined by applying a force to an object and measuring the acceleration that results from that force. An object with small inertial mass will accelerate more than an object with large inertial mass when acted upon by the same force. One says the body of greater mass has greater inertia. Active gravitational mass is a measure of the strength of an object's gravitational flux (gravitational flux is equal to the surface integral of gravitational field over an enclosing surface). Gravitational field can be measured by allowing a small "test object" to fall freely and measuring its free fall acceleration. For example, an object in free fall near the Moon is subject to a smaller gravitational field, and hence accelerates more slowly, than the same object would if it were in free fall near the Earth. The gravitational field near the Moon is weaker because the Moon has less active gravitational mass. Passive gravitational mass is a measure of the strength of an object's interaction with a gravitational field. Passive gravitational mass is determined by dividing an object's weight by its free fall acceleration. Two objects within the same gravitational field will experience the same acceleration; however, the object with a smaller passive gravitational mass will experience a smaller force (less weight) than the object with a larger passive gravitational mass. According to relativity, mass is nothing else than the rest energy of a system of particles, meaning the energy of that system in a reference frame where it has zero momentum. Mass can be converted into other forms of energy according to the principle of mass–energy equivalence. This equivalence is exemplified in a large number of physical processes including pair production, beta decay and nuclear fusion. Pair production and nuclear fusion are processes in which measurable amounts of mass are converted to kinetic energy or vice versa. Curvature of spacetime is a relativistic manifestation of the existence of mass. Such curvature is extremely weak and difficult to measure. For this reason, curvature was not discovered until after it was predicted by Einstein's theory of general relativity. Extremely precise atomic clocks on the surface of the Earth, for example, are found to measure less time (run slower) when compared to similar clocks in space. This difference in elapsed time is a form of curvature called gravitational time dilation. Other forms of curvature have been measured using the Gravity Probe B satellite. Quantum mass manifests itself as a difference between an object's quantum frequency and its wave number. The quantum mass of a particle is proportional to the inverse Compton wavelength and can be determined through various forms of spectroscopy. In relativistic quantum mechanics, mass is one of the irreducible representation labels of the Poincaré group.
Салмағы мен массасы
Күнделікті қолданыста масса мен "салмақ" жиі бір-бірімен алмастырылып қолданылады. Мысалы, адамның салмағы 75 кг деп айтылуы мүмкін. Тұрақты гравитациялық өріс жағдайында дененің салмағы оның массасына пропорционал болады, сондықтан екі түсінік үшін де бірдей өлшем бірлігін қолдану қиындық тудырмайды. Алайда, Жердің гравитациялық өрісінің әртүрлі жерлердегі күшінің шамалы айырмашылықтарынан, бірнеше пайыздан жоғары дәлдікпен өлшеулерде және Жер бетінен қашық жерлерде, мысалы, ғарышта немесе басқа планеталарда бұл айырмашылық маңызды болады. Теориялық тұрғыдан алғанда, "масса" (килограмммен өлшенеді) – дененің ішкі қасиетін көрсетеді, ал "салмақ" (нютонмен өлшенеді) – дененің айналадағы гравитациялық өрістің әсерімен еркін құлау бағытынан ауытқуға қарсы тұруын өлшейді. Гравитациялық өріс қаншалықты күшті болса да, еркін құлаудағы дененің салмағы болмайды, бірақ оның массасы сақталады. "Салмақ" деп аталатын күш, масса мен үдеудің көбейтіндісіне тең, барлық жағдайларда масса еркін құлаудан үдеген кезде. Мысалы, дене гравитациялық өрісте тыныш тұрғанда (еркін құламай), оны таразының немесе Жер немесе Ай сияқты планеталық дененің бетінен келетін күш үдетуі керек. Осы күш денені еркін құлауға түсуінен сақтайды. Мұндай жағдайларда салмақ – қарсы күш болып табылады және еркін құлау үдеуімен анықталады. Мысалы, Жер бетінде 50 килограмм массасы бар дененің салмағы 491 Ньютонды құрайды, яғни осы денені еркін құлауға түсуінен сақтау үшін 491 Ньютон күш қолданылуда. Ал Ай бетінде сол дененің массасы 50 килограммға тең болса да, салмағы 81,5 Ньютонды құрайды, себебі Ай бетінде осы денені еркін құлауға түсуінен сақтау үшін 81,5 Ньютон күш қана жеткілікті. Математикалық тұрғыдан алғанда, Жер бетінде дененің салмағы W оның массасы m-ға W = mg теңдеуі арқылы байланысты, мұнда g – Жердің гравитациялық өрісіне байланысты үдеу (еркін құлайтын дененің үдеуі ретінде беріледі). Басқа жағдайларда, мысалы, дененің планеталық беттің қарсылығынан басқа күштердің әсерінен үдеуге ұшыраған кезде, салмақ күші еркін құлаудан алысқатылған жалпы үдеуге көбейтілген дененің массасына пропорционал болады, бұл өзіндік үдеу деп аталады. Осы механизмдер арқылы лифттердегі, көліктердегі, центрифугалардағы және басқа да құрылғылардағы дененің салмағы, планеталық беттерден туындаған гравитацияның әсеріне қарсылықтан туындаған салмақтан әлдеқайда артық болуы мүмкін. Мұндай жағдайларда дененің салмағы W үшін жалпыланған теңдеу оның массасы m-ға W = ma теңдеуі арқылы байланысты, мұнда a – дененің гравитациядан басқа барлық әсерлерден туындаған өзіндік үдеуі. (Тағы да, егер гравитация ғана әсер етсе, мысалы, дененің еркін құлауы кезінде, оның салмағы нөлге тең болады).
Шығу тегі
Теориялық физикада массаның пайда болу механизмі – физиканың ең негізгі заңдарынан массаның қалыптасуын түсіндіруге бағытталған теория. Бүгінгі күнге дейін массаның шығу тегіне қатысты әртүрлі пікірлерді қолдайтын бірнеше модельдер ұсынылды. Бұл мәселенің қиындығы масса ұғымының гравитациялық өзара әрекеттесумен тығыз байланысты болуында, бірақ соңғысының теориясы әлі күнге дейін бөлшектер физикасының қазіргі танымал моделі – Стандартты модельмен үйлесім тапқан жоқ.
Салмағы мөлшер ретінде
Сан ұғымы өте көне және жазба тарихтан бұрын пайда болған. "Салмақ" ұғымы "сан" ұғымын қамтиды және осылай анық танылмаған қос мағынаға ие болды. 1609 жылдың 25 тамызында Галилео Галилей өзінің алғашқы телескопын венециялық саудагерлер тобына көрсетті, ал 1610 жылдың қаңтар айының басында Галилей Юпитердің жанында төрт әлсіз нысанды байқады, оларды жұлдыздар деп жаңылыстырды. Бірақ бірнеше күн бақылаудан кейін Галилей осы "жұлдыздардың" ішінде Юпитердің айналасында айналып жүргенін түсінді. Бұл төрт нысан (кейіннен оларды ашқан ғалымның құрметіне Галилей айлары деп атады) Жер мен Күннен басқа нәрсеге айналып жүрген алғашқы аспан денелері болды. Галилей келесі он сегіз ай бойы осы айларды бақылауын жалғастырды, ал 1611 жылдың ортасына қарай олардың айналыс периодын өте дәл анықтады.
Салмақтан бөлек масса
К. М. Браунның айтуынша: "Кеплер массаның [ерекше] түсінігін қалыптастырды ('материяның мөлшері' (copia materiae)), бірақ оны сол кездегілердің барлығы сияқты 'салмақ' деп атады". Ақырында, 1686 жылы Ньютон осы ерекше түсінікке жеке ат берді. "Табиғат философиясының математикалық принциптері" кітабының бірінші абзацында Ньютон материяның мөлшерін "тығыздық пен көлемнің біріктірілуі" деп, ал массаны – материяның мөлшері деп анықтады. text=Материяның мөлшері – оның тығыздығы мен көлемінен туындайтын өлшем. Бұдан кейін мен барлық жерде дене немесе масса деп осы шаманы атаймын. Ол әрбір дененің салмағы арқылы белгілі, себебі ол салмаққа пропорционалды.|авторы=Исаак Ньютон|атауы=Табиғат философиясының математикалық принциптері|көздері=I анықтама.
Ньютонның оқ шары
Ньютонның оқ дәрісі – Галилейдің гравитациялық үдеуі мен Кеплердің эллипстік орбиталары арасындағы қатынасты түсіндіру үшін қолданылған ой-эксперимент. Ол Ньютонның 1728 жылы жарық көрген «Әлем жүйесі туралы трактат» кітабында келтірілген. Галилейдің гравитация жөніндегі түсінігіне сәйкес, құлаған тас тұрақты үдеумен жерге қарай түседі. Бірақ Ньютон, тас көлденеңге (яғни, Жердің гравитациясына перпендикуляр) лақтырылса, қисық траекториямен қозғалатынын түсіндіреді. «Лақтырылған тас өзінің салмағының күшімен түзу жолдан бұрылып, тек лақтыру арқылы ұшуға тиіс болған жолдан ауып, ауада қисық сызық бойымен қозғалады және соңында жерге жетеді. Ал оның лақтыру жылдамдығы неғұрлым жоғары болса, жерге түспей бұрын соғұрлым алысқа ұшады».
Атомдық массалар
Әдетте, заттардың массасы килограмммен өлшенеді, ол 2019 жылдан бері табиғаттың фундаменталдық тұрақтылары арқылы анықталады. Атомның немесе басқа бөлшектің массасын басқа атомның массасымен дәл және қолайлы түрде салыстыруға болады, сондықтан ғалымдар дальтонды (ол біріктірілген атомдық масса бірлігі деп те аталады) әзірледі. Анықтама бойынша 1 Да (бір дальтон) – көміртек-12 атомының массасының бірден он екінші бөлігі, демек, көміртек-12 атомының массасы дәл 12 Да-қа тең.
Жалпы салыстырмалылық теориясы
Жалпы салыстырмалылық теориясында баламалық принцип – гравитациялық және инерциялық массаның теңдігі. Бұл тұжырымның негізінде Альберт Эйнштейннің мына идеясы жатыр: зор массалы денеде (мысалы, Жерде) тұрғанда жергілікті түрде сезілетін гравитациялық күш, инерциялық емес (яғни, үдемелі) есептесу жүйесіндегі бақылаушы сезінетін нақты емес күшке тең. Дегенмен, жалпы салыстырмалылық теориясында инвариантты масса тұжырымдамасына объективті, жалпылама анықтама беру мүмкін емес екені анықталды. Мәселенің түпкі себебі – Эйнштейннің өріс теңдеулерінің сызықтық емес болуы, ол гравитациялық өріс энергиясын барлық бақылаушылар үшін инвариантты болатын кернеу-энергия тензорының құрамына енгізуге мүмкіндік бермейді. Нақты бақылаушы үшін бұл кернеу-энергия-импульс псевдотензоры арқылы іске асырылады.