פרק זה טעון
שכתוב. אנא
תרמו לוויקיפדיה
ועזרו לשכתב אותו. ייתכן שתמצאו פירוט ב
דף השיחה. הסיבה היא הערך כולו כתוב מנקודת מבט ניוטונית בה "כבידה" ו"אינרציה" הם מושגים נפרדים. אפילו הפרק על תורת היחסות לוקה בגישה זו..
מָסָה (ביוונית עתיקה:μᾶζα "לחם שעורים") היאגודל פיזיקלי של גופים, שמשפיע על שתי תכונות. מסה קובעת אתכוח הכבידה שמפעילים גופים זה על זה:משקל של עצמים על פניכדור הארץ הוא הכוח שכדור הארץ מפעיל עליהם, ההתנגדות של גוף לשינוי במהירות שלו: התאוצה של גוף תלויה בכוח שמופעל עליו ובמסה של הגוף, מסה זו נקראתמסת התמד.
מסה היא תכונה שיש לכל גוף, הקובעת כמה קשה יהיה לגרום לשינוי במהירות שלו (להאיץ אותו או להאט אותו), והיא גם קובעת מה יהיה כח המשיכה של הגוף. למשל, מסת כדור הארץ גורמת לכך שכח המשיכה שלו יאיץ גופים אשר נמצאים מאוד קרוב אליו בתאוצה של 9.8 מטרים לשנייה בריבוע, לכיוונו.
על פיתורת היחסות מסה ניתנת להמרה לאנרגיה, ולהפך. בתורת היחסות המסה של גוף אינה גודל קבוע אלא תלויה במהירות הגוף ביחס לצופה, כאשר ההבדל זניח במהירויות שקטנות בהרבה ממהירות האור. במודל הסטנדרטי שלפיזיקת חלקיקים המסה אינה תכונה בסיסית: היא נוצרת עבור אחדים מהחלקיקים היסודיים כתוצאה מתגובה עםבוזון היגס, בעוד חלקיקים אחרים נותרים חסרי מסה, ועבור חלקיקים מורכבים המסה כוללת גם אתאנרגיית הקשר של החלקיקים.
החוק השני של ניוטון קובע שישיחס ישר בין הכוח שפועל על גוף (מסומן באות F) לביןתאוצתו (מסמנת באות a). יחס זה נקרא מסה, ומסומן באות m:
זוהי המסה האינרציאלית, או מסת ההתמד של הגוף. החוק השני של ניוטון קובע כי כאשר מפעילים כוח על גוף כלשהו, לגוף יש תאוצה באותו הכוון של הכוח, כלומר הוא משנה את מהירות וכוון תנועתו. מכאן משתמע גםהחוק הראשון של ניוטון, גוף שלא פועל עליו כוח נע במהירות קבועה.
כשפיתח ניוטון אתחוק המשיכה האוניברסלי, הוא מצא שמשיכתם של גופים תלויה בגדלים האופייניים להם, להם הוא קראמסה כבידתית. מסת הכבידה האקטיבית (של גוף אחד) יוצרת את שדה הכבידה, ומסת הכבידה הפסיבית (של גוף שני) קובעת את ההשפעה מאותו שדה. אלה שתי המסות שמופיעות בנוסחת הכבידה של ניוטון. מהחוק השלישי של ניוטון נובע מיד שהמסה הפסיבית מתכונתית לאקטיבית.
כוח הכבידה שמפעילים שני גופים זה על זה הוא מכפלת המסות שלהם
, מוכפל בקבוע הכבידה האוניברסלי ומחולק במרחק r ביניהם בריבוע:
כאשר בכדור הארץ המרחק קבוע בקירוב, והכח אחיד בקירוב (עד כדי שגיאה של 1%[1]) על פני כל כדור הארץ. לכן על פני כדור הארץ מסת הכבידה נמדדת לפי היחס בין משקל הגוף F, שהוא הכוח שנמדד במאזניים, לתאוצת הכובד g:
בעקבותניסוייו הידועים של גלילאו גליליי כמאה שנה לפני כן, ניסח ניוטון אתעקרון השקילות שלו: המסה הכבידתית זהה למסה האינרציאלית. לכן, בהשפעתשדה כבידה, יואצו גופים שונים בעלי מסות שונות באותה המידה. לפיכך, מובנות היטב תוצאות ניסוי הגופים של גלילאו: בנפילת שני עצמים הנבדלים במסותיהם פועל אמנםכוח כבידה גדול יותר על הגוף בעל המסה הגדולה יותר, אך בדיוק באותה מידה גם התנגדותו להאצה גדולה (שהרי מסת ההתמד זהה למסת הכבידה) ועל כן יאיצו שני הגופים בשווה.
בעשרות השנים האחרונות אומת עקרון השקילות במגוון ניסויים ברמת דיוק גבוהה ביותר לגבי עצמים העשוייםאטומים נייטרליים מבחינה חשמלית. בשנת 1967 ניסו ויטבורן ופיירבנק לבדוק את מסת הכבידה של האלקטרון, ובמאמר שפרסמו[2] הודיעו על כישלון הניסוי. זה היה הניסיון היחיד הידוע עד כה[3][4] למדידת מסת הכבידה של חלקיקטעון. הקושי בביצוע מדידה מסוג זה נובע מהצורך למסך את החלקיק הנבדק באופן מוחלט מפני הפרעותאלקטרוסטטיות ואלקטרומגנטיות על מנת שניתן יהיה לבדוק את תגובתו להשפעת שדה הכבידה של כדור הארץ נטו.ניסויים למדידת מסת הכבידה שלאנטי מימן טרם נערכו בגלל הקושי בהפקת אטומי אנטי מימן באופן שניתן יהיה לשלוט בהם ולבצע מדידות מדויקות של השפעת כבידת כדור הארץ על תנועתם.
ערך מורחב –מסת מנוחה
תורת היחסות הפרטית גילתה שהמסה האינרציאלית איננה יחס קבוע, אלא שככל שגוף מסוים נע במהירות שקרובה יותר למהירות האור, מסתו תגדל (כלומר: התאוצה בעקבות כוח מסוים תקטן), אף על פי שמספר האטומים בגוף החומר (ראומול) לא ישתנה.
ניתן באופן אינטואיטיבי להסביר קביעה זו, אם מקבלים את מהירות האור כחסם עליון של מהירות, שככל שמתקרבים אליו כוח שמופעל על הגוף יגרום לפחות תאוצה.
לפיכך,תורת היחסות ערערה את מעמדה היסודי של המסה בפיזיקה. עם קבלתה שלמהירות האור כאינווריאנט, לא ניתן היה עוד לשמר את האינווריאנטיות של המסה האינרציאלית, והיא הפכה תלויה בגורמים אחרים, כמומהירות ואנרגיה.
למסה זו קראאלברט איינשטיין "מסה יחסותית" וראה בה כמודדת את תכולת האנרגיה של הגוף לפי הנוסחה
.
המסה היחסותית של גוף מוגדרת על ידי הביטוי
כאשר
היא "מסת המנוחה" (מסת הגוף כאשר הוא במנוחה). מסת המנוחה היא אינווריאנטה של הגוף ורוב הפיזיקאים מתייחסים אליה פשוט כאל מסת הגוף ורושמים
במקום להשתמש במושג המסה היחסותית.
מעקרון השקילות החזק של איינשטיין, נובע שמסת הכבידה הפסיבית שווה למסת ההתמד.
טעותטרמינולוגית נפוצה היא חוסר הבדלה בין מסה למשקל. טעות זו נובעת מכך שלצרכים יום-יומיים, מסה ומשקל פרופורציוניים זה לזה, ובהרבה מקרים (כגון בחישובי עומס) הנתון הרלוונטי הוא המשקל דווקא, כמו כן, נובעת טעות זו מהבלבול ההיסטורי שרווח בין יחידת "קילוגרם כוח" ליחידת ה"קילוגרם מסה". על אף הבלבול, חשוב להבחין בין מסה למשקל.
בעוד מסתו של גוף היא תכונה קבועה (כשהגוף במנוחה), המשקל אינו כך. משקלו של גוף על פניכדור הארץ הוא הכוח שבו נמשך הגוף אל כדור הארץ. באופן דומה, משקלו של גוף עלהירח הוא הכוח בו הוא נמשך אל הירח, והוא שונה מהכוח בו הוא נמשך לכדור הארץ. משקלו של אדם בכדור הארץ יכול להיות 1200ניוטון ובירח הוא יעמוד על כ-200 ניוטון —כשישית ממנו. לעומת זאת, אם מסתו של אותו אדם היא 80קילוגרם, המסה תישאר 80 קילוגרם גם בירח או בכל גרם-שמים אחר. כל עוד לא גרענו או הוספנו חומר לגוף, מסתו לא תשתנה; משקלו של גוף ישתנה בתלות למערכת בה נמדד.
את המשקל מודדים בעזרתמאזני קפיץ אודינמומטר - מכשיר שהוא בעיקרוקפיץ הנמתח באופן יחסי לכוח המופעל עליו. לעומת זאת, את המסה מודדים באמצעותמאזניים - מכשיר המשמש להשוואה בין מסתו של גוף למסה ידועה מראש (כאשר שתי המסות נמצאות באותו שדה כבידה).
המשקל הואכוח, וככזה, יחידותיו הן יחידות של כוח -ניוטון אודיין, אך במצבמנוחה, ללאתאוצה על פניכדור הארץ, קיים יחס המרה שניתן להתייחס אליו לרוב כקבוע (הוא משתנה מעט ביןקו המשווה לביןהקטבים) בין המסה למשקל העומד על כ-9.81 ניוטון לקילוגרם (יחס זה מכונה גםתאוצת הנפילה החופשית).
יחידה נוספת ומיושנת למדידת כוח, השימושית כיום בעיקר למדידת משקל, היא ה"קילוגרם-כוח" - קג"כ. כיום יחידה זו אינה שמישה במדע, אך בחיי היומיום עדיין נעשה בה שימוש, אם כי לא במודע, כאשר מדברים על מדידת משקל; יחידה זו שווה בקירוב טוב ל-9.81 ניוטון כך שבעת שימוש ביחידה זו, המסה והמשקל על פני כדור הארץ שווים בקירוב טוב בגודלם. לכן, יש המבלבלים בין יחידת הקילוגרם בשימושה כיחידת מסה לבין שימושה כיחידת משקל. כאשר אומרים "קילוגרם עגבניות" מתכוונים לרוב למשקל של קילוגרם-כוח אחד הפרופורציונלי לקילוגרם (מסה) אחד בכדור הארץ.
יחידת המסה הבסיסית בתקןמערכת היחידות הבין-לאומית היא הקילוגרם, שרבים מחשיבים אותו בטעות ליחידתמשקל (ראו בהמשך).
הקילוגרם הוא יחידת מסה שרירותית, שהיה מיוצג עד למאי 2019 על ידי המסה של גליל שעשוי מסגסוגת שלפלטינה (90%) ואירידיום (10%) בגובה וקוטר של 39.17 מ"מ השמור בלשכה הבינלאומית למידות ומשקלות בעיירהסבר (לידפריז) בתנאיטמפרטורה ולחץ קבועים. כיום מוגדר הקילוגרם בהתבסס על קבועים יסודיים של הטבע, והוא נגזר מהגדרת ערכו שלקבוע פלאנק כ
.
מסה זו קרובה מאוד למסה של 1,000 סמ"קמים מזוקקים בטמפרטורה של 4מעלות צלזיוס.
יחידות מידה מטריות נוספות הן גרם, מיליגרם (מ"ג), וטון, כאשר:
- 1000 מ"ג=1 גרם
- 1000 גרם=1 ק"ג
- 1000 ק"ג=1 טון
בוזון היגס הואחלקיק יסודי אשר על פיהמודל הסטנדרטי לוקח חלק במנגנון שמעניק לחלקיקים אלמנטריים רבים מסות. החלקיק קרוי על שמו של המדען הבריטיפיטר היגס שהציע את קיומו[5] ואף קיבלפרס נובל על כך לאחר גילוי החלקיק ב-CERN בשנת 2012,[6] אותו חלק עםפרנסואה אנגלר.
לחלקיקים שמתווכים את הכוחות היסודיים אין מסה.
- ערך מורחב –מסה שלילית
מסה שלילית מתארת חומר היפותטי אשר מסתו מיוצגת על ידימספר שלילי בעל סימן מנוגד למסת החומר הרגיל, למשל−1קילוגרם. חומר כזה יפר אחד או יותר מחוקי הטבע הבסיסיים, ועשוי להציג תכונות מוזרות ובלתי מוכרות הנובעות מחוסר המידע על השפעת הכבידה עליו, וכיצד היא צריכה להתייחס לכוח או לתאוצה המכוונת הפוך למסה שלילית.
ניתן גם להגדיר את המסה השלילית כגודל פיזיקלי המנוגד למסה החיובית, כך שהחוקים החלים על מסה יחולו באופן הפוך. למשל, מסה קובעת אתכוח הכבידה שמפעילים גופים זה על זה. ככל שמסת הגופים עולה, כמות הכבידה שהם מפעילים זה על זה עולה ביחס ישר. לפיכך נוכל לשער שאם החוקים אכן מנוגדים בין מסה חיובית לשלילית, כך גם יחסי ההשפעות של גופים בנוגע לכבידה: ההשפעה היא דחייה ולא משיכה, וככל שהמסות של גופים בעלי מסות שליליות עולה, כך עוצמת הדחייה שהם מפעילים זה על זה גדלה ביחס ישר.
- ^Do I weigh less on the equator than at the north pole
- ^קישור לתקציר המאמר באתר PHYSICAL REVIEW LETTER
- ^מאמר מאת חוקרים במעבדה הלאומית בלוס אלאמוס, ארצות הברית, הקוראים לחקור את התאוצה הגרביטציונית של אנטי-פרוטון
- ^Tests of the weak equivalence principle for charged particles in space מאמר מאת חוקרים באוניברסיטת ברמן, גרמניה
- ^בשנת 1964 פרסמו את התוצאות, באופן כמעט סימולטני, שלוש קבוצות שונות(אנ') - זו של רוברט ברוט ופרנסואה אנגלר, זו של פיטר היגס, וזו של ג'רלד גורלניק, ריצרד הייגן וטום קיבל. בקהל הרחב דווקא שמו של היגס הוצמד לחלקיק ולמנגנון, אך בהקשרים מקצועיים ניתן להיתקל גם ב"מנגנון היגס-אנגלר" ושמות נוספים שמאזכרים את יתר הפיזיקאים, כולל השם ABEGHHK'tH (ראשי תיבות של שמות שמונה פיזיקאים שונים שהיו מעורבים, כולל השישה שהוזכרו פה). היגס ואנגלר מוכרים במיוחד בשל זכייתם בנובל.
- ^http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/press.pdf
- ^שני חוקרים שגילו בנפרד שלניטרינו יש מסה זכו בפרס נובל לפיזיקה, אתרהידען
