Trọng lượng

Khối lượng (tiếng Anh: mass) là một thuộc tính của vật thể vật lý và là đại lượng đo khả năng chống lại gia tốc (thay đổi trạng thái chuyển động) khi có lực ròng tác dụng lên nó. Khối lượng của một vật cũng quyết định sức mạnh của lực hấp dẫn của nó đối với các vật thể khác. Đơn vị khối lượng cơ bản trong SI là kilôgam (kg).

Trong vật lý, khối lượng khác với trọng lượng, mặc dù thường được đo bằng cân lò xo thay vì cân đòn bẩy so với một mẫu vật. Một vật sẽ nhẹ hơn khi ở trên mặt trăng so với Trái Đất, nhưng vật vẫn chứa cùng lượng vật chất. Điều này bởi vì trọng lượng là một lực, trong khi khối lượng là một thuộc tính quyết định độ lớn của lực này (bao gồm cả trọng lực).

Trong cơ học cổ điển, khái niệm khối lượng có thể hiểu đơn giản là lượng vật chất trong một vật. Tuy nhiên, đối với vật di chuyển nhanh, theo thuyết tương đối hẹp, động năng sẽ góp phần quan trọng vào khối lượng. Do đó, tất cả các vật ở trạng thái nghỉ sẽ có cùng năng lượng và các trạng thái năng lượng khác sẽ tác động lên gia tốc và các lực hấp dẫn. Trong vật lý hiện đại, vật chất không còn là một khái niệm cơ bản do định nghĩa của nó rất phức tạp.

Hiện tượng

Có một số hiện tượng khác nhau có thể được sử dụng để đo khối lượng. Mặc dù một số nhà lý thuyết đã suy đoán rằng một số hiện tượng có thể độc lập với nhau, các thử nghiệm hiện tại không tìm thấy sự khác biệt trong kết quả dù được đo như thế nào:

• Khối lượng quán tính đo khả năng chống lại của vật đối với lực tạo ra gia tốc (biểu thị bằng mối quan hệ F = ma ).
• Khối lượng trọng lực chủ động đo trọng lực do vật tác động.
• Khối lượng trọng lực bị động đo trọng lực tác động lên vật trong một trường hấp dẫn đã biết.

Khối lượng của một vật xác định gia tốc của nó khi bị tác động bởi lực bên ngoài. Khối lượng quán tính và khối lượng quán tính mô tả cùng một thuộc tính vật lí cả về mặt định tính và định lượng. Theo như định luật về chuyển động của Newton, nếu một vật có khối lượng m và bị tác động bởi lực F, gia tốc của nó được tính theo công thức F/m. Khối lượng cũng quyết định tính chất hút vật và bị hấp dẫn bởi trường hấp dẫn. Nếu một vật có khối lượng m_A được đặt cách vật khối lượng 2 m_B một khoảng r (tính từ tâm của mỗi vật), chúng sẽ hút lẫn nhau tạo ra lực hấp dẫn theo công thức F_g = Gm_Am_B/r, trong đó G = 667×10 N kg m² là hằng số hấp dẫn. Các thí nghiệm từ thế kỷ 17 đã chứng minh rằng khối lượng quán tính và lực hấp dẫn là giống nhau; từ năm 1915, quan sát này đã dẫn đến một tiên nghiệm trong nguyên lý tương đương của thuyết tương đối rộng.

Đơn vị khối lượng

Đơn vị khối lượng chuẩn của hệ thống quốc tế (SI) là kilôgam (kg). Kilôgam bằng 1000   gam (g), lần đầu tiên được xác định vào năm 1795 bằng một mét khối nước ở điểm nóng chảy của băng. Tuy nhiên, việc đo chính xác một mét khối nước ở điều kiện nhiệt độ và áp suất phù hợp là rất khó khăn, năm 1889, kilôgam được xác định lại là khối lượng của nguyên mẫu quốc tế được làm từ gang, và do đó trở nên độc lập với mét và tính chất của nước.

Tuy nhiên, khối lượng của nguyên mẫu quốc tế và các bản sao quốc gia cho rằng nó đã giống nhau đã được phát hiện là giảm dần theo thời gian. Dự kiến, việc định nghĩa lại kilôgam và một số đơn vị khác đã diễn ra vào ngày 20 tháng 5 năm 2019, sau cuộc bỏ phiếu cuối cùng của CGPM vào tháng 11 năm 2018. Định nghĩa mới sẽ chỉ sử dụng các đại lượng bất biến của tự nhiên: tốc độ ánh sáng, tần số siêu mịn Caesium và hằng số Planck.

Các đơn vị khác được chấp nhận sử dụng trong SI là:

• tấn (t) bằng 1000 kg.
• electronvolt (eV) là một đơn vị năng lượng, nhưng do quan hệ tương đương giữa năng lượng và khối lượng, nó có thể dễ dàng chuyển đổi thành một đơn vị khối lượng và thường được sử dụng như một đơn vị khối lượng. Trong ngữ cảnh này, khối lượng được đo bằng eV / c (với c là tốc độ ánh sáng). Electvolt và các bội số của nó, như MeV (megaelectronvolt), thường được sử dụng trong vật lý hạt.
• đơn vị khối lượng nguyên tử (u) bằng 1/12 khối lượng của nguyên tử carbon-12, xấp xỉ 166×10 kg. Đơn vị khối lượng nguyên tử là tiện lợi để biểu thị khối lượng của các nguyên tử và phân tử.

Ngoài hệ thống SI, các đơn vị khối lượng khác bao gồm:

• slug (sl) là một đơn vị khối lượng của Hoàng gia (khoảng 14,6 kg).
• pound (lb) là một đơn vị của cả khối lượng và lực, được sử dụng chủ yếu ở Hoa Kỳ (khoảng 0,45 kg hoặc 4,5 N). Trong bối cảnh khoa học, nơi phân biệt pound (lực) và pound (khối lượng), đơn vị SI thường được sử dụng thay thế.
• khối lượng Planck (m_P) là khối lượng tối đa của các hạt điểm (khoảng 218×10 kg). Nó được sử dụng trong vật lý hạt.
• khối lượng mặt trời (M_☉) được định nghĩa là khối lượng của Mặt Trời. Nó chủ yếu được sử dụng trong thiên văn học để so sánh các khối lượng lớn như sao hoặc thiên hà (≈ 199×10 kg).
• khối lượng của một hạt rất nhỏ có thể được xác định bằng bước sóng Compton nghịch đảo của nó (1 cm ≈ 352×10 kg).
• khối lượng của một ngôi sao hoặc lỗ đen rất lớn có thể được xác định bằng bán kính Schwarzschild của nó (1 cm ≈ 673×10 kg).

Tính chất

Khối lượng của một vật là một đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ quán tính của vật đó. Vật có khối lượng lớn có sức ì lớn hơn và cần có lực lớn hơn để làm thay đổi chuyển động của nó. Mối liên hệ giữa quán tính với khối lượng được Isaac Newton phát biểu trong định luật 2 Newton. Khối lượng trong chuyển động thẳng đều còn được mở rộng thành khái niệm mô men quán tính trong chuyển động quay.

Khối lượng của một vật cũng là đặc tính quan trọng quyết định sự hấp dẫn với các vật khác, theo định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Vật có khối lượng lớn tạo ra một trường hấp dẫn mạnh xung quanh.

Khái niệm về khối lượng thường được hiểu là độ lớn của khả năng chống lại sự thay đổi, được biết đến là khối lượng quán tính, không cần thiết phải trùng với khối lượng hấp dẫn. Tuy nhiên, các thí nghiệm chính xác cho thấy rằng hai khái niệm này gần như nhau và là một phần quan trọng của thuyết tương đối rộng của Albert Einstein.

Khối lượng tương đối là một khái niệm quan trọng trong vật lý.

Trong vật lý cổ điển, khối lượng được xem như một đại lượng không thay đổi, không phụ thuộc vào chuyển động của vật. Tuy nhiên, trong vật lý hiện đại, khái niệm này có thể thay đổi theo hệ tham chiếu. Khối lượng trong vật lý hiện đại bao gồm cả khối lượng nghỉ, là giá trị tương đương với khối lượng cổ điển khi vật đứng yên trong hệ tham chiếu đang xét, cộng với khối lượng động năng của vật.

Khối lượng toàn phần, hay còn gọi là khối lượng tương đối, liên quan đến khối lượng nghỉ và vận tốc chuyển động, được tính bằng công thức: m = m0 + v.

Công thức này mô tả quan hệ giữa khối lượng vật và khối lượng nghỉ trong lý thuyết tương đối của Einstein:

với:

Gamma được định nghĩa là nghịch đảo căn bậc hai của 1 trừ căn bậc hai của một trừ bình phương vận tốc so với bình phương vận tốc ánh sáng:

Công thức này miêu tả mối quan hệ giữa bình phương vận tốc và véc-tơ vận tốc:

Khối lượng toàn phần đề cập đến tổng năng lượng chứa đựng trong một vật, được biểu diễn qua công thức của Einstein:

$E=m{c}^2$

Với $c$ là tốc độ ánh sáng. Khối lượng toàn phần, $m$, cũng được dùng để định nghĩa động lượng tương đối tính, $\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{p}$:

$\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{p}=m\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{v}$

Ví dụ: Hạt photon có khối lượng nghỉ bằng 0, nhưng có khối lượng toàn phần khác không. Điều này cũng cho phép nó có năng lượng tương đối và động lượng tương đối.

Theo quan niệm mới (trong vòng 20 năm qua), chỉ có một khối lượng được gắn liền với hạt, loại khối lượng này giống như khối lượng trong cơ học Newton. Bởi vì chỉ có một khối lượng duy nhất, không cần thiết phải sử dụng thuật ngữ khối lượng nghỉ hay kí hiệu là $m_0$.

Mặt khác, phương trình $E^2-<!--\; -\; -->p^2{c}^4=m^2{c}^4$ khẳng định rằng khối lượng $m$ là không thay đổi trong khi $E$ và $\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{p}$ phụ thuộc vào hệ tham chiếu. Không có khối lượng tương đối mà chỉ có năng lượng tương đối $E=\mathrm{\gamma <!--\; \gamma \; -->}m{c}^2$ và động lượng tương đối được biểu diễn là $\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{p}=\mathrm{\gamma <!--\; \gamma \; -->}m\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{v}$.

Định luật bảo toàn khối lượng

Ví dụ: khi vật chất chạm vào phản vật chất, chúng sẽ chuyển đổi thành các photon. Khối lượng toàn phần của hệ gồm vật chất thường và phản vật chất trước khi va chạm bằng tổng khối lượng toàn phần của các photon sau khi va chạm. Lưu ý rằng trong ví dụ này, khối lượng nghỉ theo cơ học cổ điển không được bảo toàn, vì trước khi va chạm, vật chất và phản vật chất có khối lượng nghỉ lớn hơn không, còn sau khi va chạm, các photon có khối lượng nghỉ bằng 0.