מסה, (אולי) לא מה שחשבתם

בשוק מוכרים ענבים לפי משקל. ככל שהמוכר מודד מספר קילוגרמים רב יותר הוא מחייב בכמות גדולה יותר של שקלים. מדוע זה הגיוני? האם אנחנו מקבלים כמות גדולה יותר של ענבים? לא בהכרח, אבל בד"כ כן.

הקילוגרם היא היחידה הבסיסית למדידת מסה, שקשורה לכמות החומר רק בעקיפין. מהי בכלל מסה?

תמונה 1: ענבים. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Dragonflyir.

***

הצורך בהגדרת המושג מסה עולה מתוך דיון על כוחות ולכן ראשית יש להגדיר במפורש מהו כוח בפיזיקה.

נגדיר: כוח הוא פעולה הדדית בין שני גופים שניכרת בשינוי מהירות או שינוי צורה.

דוגמה: אם אני מטיח אגרוף בגוש פלסטלינה מתרחשת בעקבות המגע בין שני הגופים אינטרקציה שתוצאתה היא שגוש הפלסטלינה ישנה את צורתו ואת מהירותו. באותו הזמן, גם היד תשנה את צורתה ומהירותה.

ישנן שתי דרכים להגדיר מהי מסה.

דרך א'

חוק הכבידה של ניוטון אומר שבין כל שני גופים (מסות) שורר כוח משיכה שתלוי במסתם של הגופים ובמרחק ביניהן. ככל שהמסות גדולות יותר, כך הכוח ביניהן גדול יותר. ככול שהמרחק ביניהן גדול יותר, כך הכוח ביניהן קטן יותר.

F הוא כוח הכבידה בין שתי מסות, m מסמן את מסות הגופים השונים, r את המרחק ביניהם ו-G קבוע אוניברסלי שקשור לחוזק הכוח.

כלומר, קיום כוח הכבידה והמודל שמסביר את אופן פעולתו מגדיר מהי מסה. את הקבוע האוניברסלי G נקבע מתוך מדידות לאחר שנקבע מהי מידת הקילוגרם.

כל הגופים הגשמיים שנמצאים לידי כרגע מכילים את התכונה הפיזיקלית שנקראת מסה וכולם נמצאים בשדה כבידה זהה של כדור הארץ (מסת כדה"א והמרחק ממרכזו זהים בקירוב עבור כולם). נוכל להיעזר בעובדה זאת כדי לכייל את סקלת מדידת המסות. נקבע שאחד החפצים הוא 1 ק"ג ונשתמש במאזניים ובכוח הכבידה לקבוע את כל השאר. סדרה כזאת של גופים קיימת בצרפת והיסטורית היא מגדירה עבורנו מהו קילוגרם.

תמונה 2: העתק של הקילוגרם הרשמי המקורי מצרפת שמוחזק על ידי US government National Institute of Standards and Technology או בקיצור NIST במרילנד לתצוגה. מדובר בגוש מתכת שהוא 90% פלטינום ו-10% אירידיום. המקור לתמונה: NIST דרך ויקיפדיה.

דרך ב'

בהגדרת הכוח ציינתי שהוא ניכר בשינוי מהירות.

החוק השני של ניוטון אומר שאם סכום הכוחות הפועלים על גוף שונה מאפס, הוא משנה את מהירותו, כלומר מאיץ. סכום הכוחות שפועל על הגוף שווה לקבוע כפול התאוצה בה הוא נע. את הקבוע הזה אנחנו מכנים בשם 'מסה' ובעצם בפעולה זאת מגדירים מהי מסה.
[הערת שוליים: אם אתם מפעילים כוח על גוף נח והוא לא משנה את מהירותו, כלומר מתחיל לנוע, זה עקב כוח החיכוך. סכום הכוחות על הגוף, כולל כוח החיכוך, הוא אפס.]

בדיקה במעבדה תאשר את החוק ותראה שערכו של הקבוע (שיפוע הגרף בין סכום הכוחות לתאוצה) תלוי בגוף עצמו ובכמה הוא מאסיבי. גם על קרח, שעליו החיכוך הוא מינימלי, קל להאיץ מטבע של חצי שקל וקשה להאיץ מקרר משפחתי 3 דלתות עם מכונת קרח מובנית.

איור 3: גרף איכותי של החוק השני של ניוטון, כלומר הקשר הישר בין שקול הכוחות לתאוצה.

אם כך, מסה היא התנגדות הגוף להפעלת הכוח. ככל שמסתו של גוף גדולה יותר, כך התאוצה שנגרמת עקב הפעלת כוח עליו קטנה יותר, ולהפך.

***

כעת חשוב שנעצור ונחשוב. האם שתי ההגדרות מדברות על אותו הדבר? מבחינה עקרונית נראה שמדובר בשתי תופעות שונות לחלוטין, ושרק במקרה בחרנו לקרוא לשתיהן בשם המשותף והמטעה 'מסה'.

למעשה המסה מדרך א' מכונה 'מסה כבידתית' וזאת מדרך ב' מכונה 'מסה אינרציאלית'.

ניתן להראות על ידי חיבור פשוט של חוק הכבידה והחוק השני שגם אם נניח שמסה כבידתית ומסה אינרציאלית הן שונות, הן חייבות להיות שוות עד כדי קבוע. אבל 'עד כדי קבוע' זה לא 'שוות'.

אז האם הן שוות?

במשך השנים, למרות מאמצים לא מבוטלים של מדענים מרחבי העולם למדוד הבדלים בין מסה כבידתית למסה אינרציאלית, לא נמצאו כאלה ברמת דיוק גבוהה מאוד. מסיבה זאת אנחנו מניחים שהן זהות אחת לשניה.

***

אפילוג

לפי החוק השני של ניוטון, אם אני עומד על מד כוח בתוך מעלית, קריאתו תלויה בתאוצת המעלית. אם המעלית אינה מאיצה, קריאתו נתונה על ידי המסה שלי כפול תאוצת הנפילה החופשית (9.8 מטר לשניה בריבוע). במקרה והמעלית מאיצה כלפי מעלה, קריאת מד הכוח היא הקריאה ללא תאוצה ועוד המסה שלי כפול תאוצת המעלית.

m מסה, g תאוצת הנפילה החופשית, a תאוצת המעלית ו-N קריאת מד הכוח.

יוצא מכך שקריאת מד הכוח במקרה שבו המעלית מאיצה ב-9.8 מטר לשניה בריבוע בחלל, מחוץ לשדה כבידה כלשהו, זהה למקרה של מעלית במנוחה בשדה הכבידה של על פניו של כדה"א.

המסקנה היא שאין אדם בתוך מעלית אטומה יכול להכריע האם הוא בשדה כבידה או במערכת מאיצה. שום ניסוי שיעשה לא יכריע בין המקרים.

ניסוי מחשבתי זה (או משהו דומה לו) הוביל את אלברט איינשטיין לחשוב שאם לא ניתן להבדיל בין כבידה לתאוצה, בין חוק הכבידה לחוק השני שדן בתאוצה, אולי מדובר בשני פנים של אותו הדבר. מה שמוביל גם למסקנה שמסה כבידתית ואינרציאלית אחת הן.

דבר זה הוביל את איינשטיין לנסח את עקרון השקילות ובהמשך תורת כבידה חדשה, וכל השאר היסטוריה.

***

נ.ב 1

חשוב לשים לב שמסה ומשקל הם אינם אותו הדבר למרות שאנחנו נוטים ביום יום להשתמש בהם באופן אנלוגי.

בתחנת החלל הבינלאומית האסטרונאוטים חווים חוסר משקל למרות שברור שיש להם מסה. משקל הוא כוח (שלרוב תלוי במסה) ומסה היא, …, ובכן מסה. הרגע דיברנו על זה.

להרחבה, מומלץ לצפות בסרטון הזה מערוץ היוטיוב Veritasium.

נ.ב 2

יחידת הק"ג למדידת מסה היא היחידה היחידה מכל היחידות הרשמיות שעדיין מוגדרת על ידי חפץ פיזי (גוש מתכת בצרפת שהוא הק"ג הרשמי). מצב זה אינו רצוי כי מישהו עלול להתעטש על הגוש ולשנות את הגדרת הק"ג (לא סביר). בשנים האחרונות עובדים מדענים ברחבי העולם על שתי שיטות חלופיות להגדרה קוסנפטואלית של הק"ג שלא תשען על חפץ פיזי.

להרחבה על אחת השיטות, מומלץ לצפות בסרטון הזה מערוץ היוטיוב Veritasium.