Masa w fizyce klasycznej oraz relatywistycznej
Masa jest wielkością fizyczną. Jest dosyć tajemnicza - objawia się na dwa sposoby, ale trudno określić, czym właściwie jest. Można powiedzieć, że to ilość materii, zawartej w ciele fizycznym, jednocześnie jednak trudno zdefiniować, co dokładnie oznacza "ilość materii". Czym jest zatem masa? Jaka jest jej podstawowa jednostka miary?
1. Czym jest masa?
Masa to jedna z podstawowych wielkości fizycznych, która określa bezwładność (masa bezwładna) oraz oddziaływanie grawitacyjne (masa grawitacyjna) obiektów fizycznych. Masa jest wielkością o charakterze skalarnym.
Zwykle rozumiemy ją jako miarę ilości materii obiektu fizycznego, w szczególnej teorii względności wiąże się z ilością energii zawierającej się w danym obiekcie fizycznym.
Masę najczęściej oznaczamy literą m.
2. Jaka jest jednostka masy?
Jednostka masy w Międzynarodowym Układzie Jednostek i Miar (SI) to kilogram (kg). Jeszcze do niedawna wzorcem kilograma był walec wykonany w 1889 roku ze stopu platyny i irydu, umieszczony w sejfie Międzynarodowego Biura Wag i Miar pod Paryżem. Wyznaczał wagę na całym świecie i do niego dostosowywano każdą wagę.
Od 20 maja 2019 roku wzorzec kilograma oparty jest na stałej Plancka - jednej z podstawowych stałych fizycznych.
3. Masa w fizyce klasycznej (nierelatywistycznej)
W klasycznej fizyce określenie "masa" występuje w dwóch znaczeniach:
- w II zasadzie dynamiki Newtona - jako masa bezwładna;
- w prawie powszechnego ciążenia - jako masa grawitacyjna.
Stwierdzono równość tych dwóch wielkości, choć fizyka klasyczna tego nie uzasadnia. W fizyce nierelatywistycznej masa ma jedną postać, która zależy od ilości atomów (im jest ich więcej, tym większa jest masa) oraz od rodzaju atomów (atomy zawierające większą ilość elektronów, protonów i neutronów mają większą masę).
Masa w fizyce klasycznej to wielkość addytywna (połączenie mas danych ciał spowoduje, że masa całego układu będzie sumą mas jego składników).
W tym przypadku występuje prawo zachowania masy, które mówi, że jest ona zawsze stała.
3.1. Masa bezwładna
Masa bezwładna to miara bezwładności ciała, czyli zmiany prędkości ciała wywołanej działaniem na nie siły. Wiąże się to z drugą zasadą dynamiki Newtona. Masywne ciało trudniej jest rozpędzić, a rozpędzone trudniej zatrzymać.
Przykładem może być tutaj cieżarówka - załadowaną ciężej jest się rozpędzić niż pustą, ponieważ posiada większą masę. Z tego samego powodu trudniej jest ją zatrzymać.
3.2. Masa grawitacyjna
Masa grawitacyjna jest wielkością opisującą oddziaływania grawitacyjne dwóch punktowych ciał w prawie powszechnego ciążenia. Innymi słowy, stanowi czynnik powodujący powstawanie ciężkości, a więc wywołujący zjawisko grawitacji; masywne ciało trudno jest podnieść.
4. Masa w fizyce relatywistycznej
W fizyce relatywistycznej pojęcie masy jest zależne od teorii. Różne koncepcje i określenia tej wielkości przedstawiają ogólna teoria względności oraz szczególna teoria względności.
4.1. Masa spoczynkowa
Masa spoczynkowa w szczególnej teorii względności jest wielkością fizyczną, charakteryzującą obiekt fizyczny lub układ takich obiektów. Wielkość ta nie jest zależna od układu odniesienia. Według tej teorii istnieją na świecie elementy, które mają masę tylko wtedy, gdy się poruszają; gdyby je zatrzymać ich masa spoczynkowa wynosiłaby zero.
4.2. Masa relatywistyczna
Fizyka relatywistyczna mówi również, że masa obiektu fizycznego rośnie w nieskończoność w miarę, jak prędkość tego obiektu zbliża się do prędkości światła. Oznacza to, że żaden obiekt, który posiada masę, nigdy nie osiągnie tej prędkości, ponieważ jego masa musiałaby być nieskończona.
Masa to również forma energii, wynikająca z bardzo dobrze znanego na świecie wzoru E = mc². W przypadku teorii względności nie obowiązuje prawo zachowania masy.
