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.

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.

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.

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.