Юрий Иванов
МАССА
Краткий очерк
Возникновение понятия массы.
Масса в классической физике и в теории относительности.
Трудности в определении понятия
Систематизация понятий массы и ее свойств с учетом исторически сложившихся приоритетов.
Вещество.
Человек вышел из мира природы. В своем повседневном опыте он выделил такие свойства вещей, как форму, цвет, размеры, тяжесть и другое. Эти свойства не зависели от его воли, пассивно присутствовали всегда и воспринимались вполне естественно. Особым свойством предстала инерция тел. Вероятно человек прочувствовал и оценил это свойство, когда стал пользоваться предметами, как орудиями труда. Если камень можно поднять, не особо задумываясь над его тяжестью, то для броска требовалась сила. Небольшой предмет легко было оттолкнуть, а от большого - можно оттолкнуться. Необходимость количесвенной оценки инерции тел возникла с изобретением метательных машин. От массы снаряда, выпушенного катапультой, зависела не только его разрушительная сила, но и дальность полета.
В науке случилось так, что на предмет дальнейших исследований МАССУ физики вышли через свойство инерции тел. Чтобы сообщить телу ускорение a , необходимо приложить силу f, пропорциональную... И тут возник вопрос, чему пропорциональную? Можно было ввести любой коэффициент и назвать его, например, коэффициентом инерции тела. Однако в смысловом отношении более близким оказалось понятие количества вещества, которое, как и всякое количество, назвали массой Так слово "масса" стало физическим понятием. F=am, это и есть второй закон Ньютона. В "Математических началах натуральной философии" первое определение он дает понятию массы. "Количество материи (масса) есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее". (И. Ньютон. Математически начала, натуральной философии. Сборнике трудов академика А.Н.Крылова, т. VII, 1963, с.23). Это первое научное толкование понятия массы как количества вещества. Открытие элементарных частиц наполнило его конкретным физическим смыслом.
Понятие массы стало одним из основных понятий физики. Оно менялось с развитием науки и, как бы это ни казалось странным, является предметом обсуждения и сегодня. Были и остаются попытки подменить понятие массы понятием энергии, в теории поля масса как таковая сводится к ее математической трактовке. "Ни один учебник и ни один лекторский курс, кажется, не дает логически и научно бесспорного изложения этого понятия» (М. Джеммер. Понятие массы в классической и современной физике. М., 1967, с.9).
Вот два примера определения. Современная энциклопедическая трактовка.
"Масса, физическая величина, одна, из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства"/ (Большая Советская Энциклопедия, изд.3,М.,1974,т.15,с.448).
А вот более ранняя трактовка: "Масса тела, основная механическая величина, определяющая величину ускорения, сообщаемого телу данной силой. ... С математической точки зрения безразлично, принять ли массу за отвлеченный множитель или за количество вещества. С физической же точки зрения, несомненно, предпочтительнее последнее определение». (Энциклопедический словарь, изд. Ф.А. Брокгауза и А.И. Ефрона. С.П. 1890, т.36, с.761).Без утверждения понятия массы как количества вещества, вряд ли Ньютон смог так просто сформулировать закон всемирного тяготения.
То, что массы одного и того же вещества можно сравнивать простым взвешиванием, не вызывало сомнения. Но можно ли подобным образом сравнивать массы, например, железа и золота? Логично было предположить и такое, что различные вещества обладают различной способностью к восприятию одной и той же силы, подобно тому, как они имеют различную плотность, теплоемкость и т.п.
Первые опыты по проверке соотношений массы и веса различных веществ поставил Галилей в конце 16-го века. Его интересовало свободное падение тел. Если различные тела, уравновешенные силами притяжения, имеют разные массы, то они будут падать с разными ускорениями. С высоты Пизанской башни он бросал грузы из различных материалов. Результаты опытов оказались для того времени неожиданными, И ружейная пуля, и пшеничное зерно, и другие тела падали с одинаковыми
ускорениями. Это закон Галилея. Для Ньютона это означало, что инерционные и гравитационные свойства равно пропорциональны для всех тел. Причину такого соответствия стали усматривать в глубинах строения материи. "Лишь под одним условием можно сравнивать количества различных веществ по их весу... Для этого необходимо предположить, что все разнообразные вещества состоят из совершенно одинаковых частиц или первоначальных элементов, … Сила тяжести, наиболее общая из сил природы говорит в пользу единства вещества, т.к. действует на все тела одинаково». (Энциклопедический словарь , ... т . 36 , с . 762).
Вернемся к современной энциклопедической трактовке массы.
"Масса, физическая величина, одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства. Соответственно различают массу инерционную и массу гравитационную". Если отбросить наивные представления о массе, как о количестве вещества, то все это толкуется просто. Проявление инерционных свойств какой-то материальной субстанции есть масса инерционная а проявление гравитационных - масса гравитационная. Произошла завуалированная подмена понятий. Термин "масса" сместился с количества вещества на свойства как таковые. То, от чего ушел Ньютон во втором законе, вернулось в новом качестве. Трактовка понятия массы по признакам свойств загадочной материи далеко не случайна. Она расчистила путь новой теории, теории относительности и позволила сделать своеобразное научное открытие; массы инерционные и гравитационные пропорциональны друг другу. "Этот фундаментальный закон природы называется принципом эквивалентности. Его открытие связано с именем Г. Галилея, установившего, что все тела на Землю падают с одинаковым ускорением. А. Эйнштейн положил этот принцип (им впервые сформулированный) в основу общей теории относительности». (Большая Советская Энциклопедия. т.15, с.449).
В теории относительности масса величина переменная, она растет с увеличением скорости. Известный советский физик А.Ф. Иоффе отмечал: "Мы склонны были считать массу мерой количества вещества, постоянной, не зависящей от скорости движения. Теория относительности установила, наоборот, что масса зависит от скорости движения". (А.Ф. Иоффе. Основные представления современной физики. М., 1949, с.25).
Связующим звеном теории относительности с другими науками стала так называемая масса покоя. Массу покоя элементарных частиц, так осторожно оговаривается в теории относительности, определяет их внутренняя энергия, энергия покоя. Eo=moC*2. Обратим внимание, что в определениях массы покоя, массы инерционной и массы гравитационной ключевыми являются свойства. В своих комментариях Н.Ф. Овчинников пишет: "Понятие массы в связи с этим становится лишь выражением фундаментальных свойств материи". (Джеммер. ... с.238).
Масса в теории относительности связана с энергией и наоборот. Формально оказалось, что понятия массы и энергии замкнуты друг на друга и стоят в ряду свойств. А что же претендует на роль той самой таинственной субстанции, количество которой называлось массой? Чтобы систематизировать понятия массы и ее свойств, не нарушая сложившейся системы понятий науки в целом, необходимо воспользоваться всем тем, что наработано и в классической физике, и в теории относительности с учетом исторически сложившихся приоритетов. ОСОБО следует подчеркнуть, что значение теории относительности при этом ничуть не умаляется.
МАССА, количество вещества, материальный носитель ее фундаментальных свойств и принципов, фундаментальными свойствами массы являются инерция, гравитация и потенциальная ЭНЕРГЕТИКА. Энергетика - это еще одно, объективно присутствующее в количестве вещества свойство. Если инерция и гравитация определяют силы, то энергетика -внутреннюю потенциальную энергию, численно равную энергии покоя в теории относительности. Слово энергетика выбрано из тех соображений, что как термин в физике оно не задействовано. Переход от свойств массы, инерции, гравитации и энергетики к физическим величинам закреплёны вторым законом Ньютона, законом всемирного тяготения и законом связи массы и энергии E=mC*2.
Фундаментальным принципом массы является принцип эквивалентности свойств массы. В теории относительности возник еще один принцип, принцип относительности свойств массы.
На практике с понятием массы все обстоит гораздо проще. Она принята за основную физическую величину, Исходному значению массы в один килограмм соответствует масса специально изготовленного эталона. Силы и энергия, численно характеризующие свойства массы, в системе единиц являются производными физическими величинами,
ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ.
Во-первых - это принцип эквивалентности свойств массы. Во вторых, он распространяется на все три свойства массы. Эквивалентность энергии и массы в теории относительности просто провозглашается, E=mC*2. И хотя вопрос о эквивалентности массы и энергии напрашивается сам собой, так или иначе он не ставился. Очевидная необходимость расширенной трактовки принципа эквивалентности означает и обратное, энергетика является одним из фундаментальных свойств массы.
Обстоятельная проверка принципа эквивалентности проделана лишь для двух свойств, инерции и гравитации. Опыты Галилея не отличались высокой точностью, доли процента, но именно они имели далеко идущие научные последствия. Принцип эквивалентности неоднократно уточнялся. Самую высокую точностьсрвнения пары алюминий-платина до 10*-12 достигли в Московском государственном университете в 1971 году В.Б.Брагинский и В.И.Панов. Их эксперимент сводился к измерению свободного падения пробных тел на Солнце. Однако больший научный интерес представляют исследования венгерского физика Этвеша, начатые им в конце 19-го века. Детальное рассмотрение результатов его опытов показывает, что существуют заметные различия в ускорениях различный тел.
Группа американских физиков увязала эти различия с различиями так называемых барионных зарядов сравниваемых тел. (Е.Б. Александров. В поисках пятой силы. Наука и жизнь, №1, 1988, с.53). Эти различия можно увязать также и с разницей атомных объемов, смотри таблицу.
Столбцы таблицы.
Номер по порядку. Сравниваемая пара. Разность атомных объемов 10*-44см.куб. Соответствие ускорений «ДО». Авторы.
1. Вода-медь. 5,5. До 1,0х10*-8. Этвеш.
2. Платина-медь. 2,5. До 0,4х10*-8. Этвеш
3. Золото-алюминий. 0,0. До 3,0х10*-11. Дикке, Кротков, Ролл.
4. Платина-алюминий. 0,5. До 0,9х10-2. Брагинский, Панов.
В теории относительности правомерна постановка и такого вопроса, как строго соблюдается принцип эквивалентности при скоростях, близких к скорости света.
ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ свойств массы исходит из теории относительности и включает в себя три аспекта: физический смысл, относительность понятий и математическую однозначность.
Физический смысл принципа относительности означает изменение свойств массы при скоростях, близких к скорости света.
В теории относительности понятие массы смещено с количества вещества на его свойства. Соответственно возникли три массы. Масса инерционная, масса гравитационная и масса покоя. Масса поко.р численно равна массе по приведенному здесь определению. Кроме того, в теории относительности фигурирует еще одна масса, никак не обозначенная и претендующая на роль массы вообще. Назовем эту массу релятивистской, а соответствующее ей свойство релятивистским свойством. Это свойство отношения к массе, как к количеству вещества отношения не имеет. Оно возникло в теории относительности и зависит от выбора системы отсчета.
Релятивистскому свойству, подобно свойствам массы, соответствует в теории относительности безразмерный коэффициент, для определенности назовем его релятивистским коэффициентом
Кр=(1-V*2/С*2)*05.
При скоростях близких к скорости света Кр будет входить как множитель в законы, определяющие силы и энергию. В теории относительности формально можно записать E=Kp.mo.C*2.
ВЕЩЕСТВО.
Понятие вещества с одной стороны граничит с физическим понятием массы, с другой - с философским материй. Природа вещества - одна. Из важнейших проблем естествознания. Предел наших познаний глубин материи всегда будет побуждать интерес к запределу. Любая минимальная масса должна обладать всеми своими свойствами. В конечном итоге масса слагается из вполне конкретных элементарных частиц, электронов, протонов и нейтронов. Вот тот набор исходных частиц вещества, количество которых и определяет массу.
Проблема природы вещества, таким образом, становится проблемой глубины структуры элемнтарных частиц. Заглядывая в глубины строения материи, еще не так давно широко цитируемый Ленин писал: "Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна...». (В.И. Ленин. ПСС, 5 изд., т.10, с.277). И здесь, вероятно, уместна аналогия с айсбергом. Наш вещественный мир, берущий начало от элементарных частиц, это верхушка айсберга, а что кроется там, в глубинах материи, возможно мы никогда не узнаем. Сторонники энергетической трактовки вещества ответ на этот вопрос знают - энергия. Так ли это на самом деле, не знает никто. Утопить проблему вещества в энергии, это своеобразная научная спешка покончить с проблемой и поставить точку. Подобное случилось в 18-м веке, когда была выдвинута концепция теплорода, невесомой тепловой жидкости. Теория теплорода имела хорошее математическое обеспечение, но не устраивала ествознание. Поиск решения проблемы вновуь возвращает нас к отвергнутой столетие назад теория эфира.
Ижевск. 12.12.1998
|