Доклад: Эволюция представлений о массе

Оставь заученное всяк сюда входящий

Древность

Обмен товарами привел к появлению мер объема. Вес считался чем-то вроде запаха или цвета - свойством тела. Это свойство проявляется в падении: тяжелые тела падают быстрее, чем легкие. Понятия количества материи у древних не было.

Античность

Перипатетики. Аристотель сосредоточил внимание на процессах возникновения и роста.

Его термин "материя" (hyle) означал "дерево"; в латыни materia = строевой лес, mater = источник роста. В этом же ряду наш термин "тело". Не было понятия количества материи.

Материя - протяженное тело, пространственное протяжение; форма есть главное измеримое свойство материи и поэтому выражает ее количество. Форма тела останавливает его стремление уйти из бытия. Вместе с тем материя - общий субстрат всех элементов Природы.

Аристотель полагал, что вес падающего тела увеличивается по мере падения.

Скептики. Тело обладает величиной, формой, сопротивлением и весом.

Вес как мера количества материи появился во II веке н.э.

- Если я сожгу сто фунтов дров, сколько фунтов дыма я получу?

- Взвесьте золу, все остальное будет дымом. Лукиан

Архимед не пользовался понятиями удельного веса, плотности и массы, а только понятием объема.

Средние века

Теологические проблемы стали поводом для обсуждения понятий, связанных с материей, в том числе столь необходимой на Западе сущности.

"Материя не может возникать и не может уничтожаться, так как все, что возникает, возникает из материи, а все, что исчезает, исчезает в материи". (Св. Фома)

Возможно ли было создать Еву из ребра Адама без добавления материи?

Из неуничтожимости материи следует возможность воскрешения и восстановления тела после смерти.

Хлеб евхаристии - противоядие против смерти (результат пресуществления). Различали величины двух родов: количество материи (dimensiones indeterminatae) и пространственно определенный и измеримый объем (dimensiones determinatae). Это различие использовано в объяснении евхаристии.

Теолог Ньютон "не из ума взял" массу частицы без объема как фундаментальное понятие (и не ввел понятие элементарного объема без массы).

Буридан: количество материи, представленное в теле, существенно определяет сопротивление, которое оно оказывает движущей силе: пропорциональность между импульсом и количеством материи (1509). Чем больше имеется материи, тем больший импульс может получить тело … в плотном и тяжелом теле при прочих равных условиях имеется больше первоматерии, чем в разреженном и легком.

Новое время

Галилей мыслит "... субстанцию как ограниченную, имеющую ту или иную форму, как большую или малую в отношении к другим вещам ... как существующую в движении или в покое ..." - но без намека на массу, вес, плотность.

"Масса представляет собой лишь другое название для самой материи и позволяет отличать материю от абстрактной материи, которая геометрична. Физическая реальность и масса - это два названия для одной и той же вещи, которая обладает движением, в то время как геометрические формы не обладают им. Следовательно, масса не может быть определена в терминах чего-либо другого; она первична" (примечания к Диалогам).

Кеплер развил идею физической силы из понятия "сила жизни", из идеи активности разума, а понятие массы - из понятия материи: фактор, противодействующий активной силе, должен находиться в самой материи. Сила и материя введены одновременно и дополнительно друг к другу.

"Если поместить два камня в каком-либо месте мира вблизи друг от друга и вне сферы влияния третьего тела, то два камня, подобно двум магнитам, сойдутся друг с другом в некотором промежуточном месте, притягивая один другого, на расстоянии, пропорциональном массе другого".

"Инерция, или противоположность движению, есть характеристика материи; она тем больше, чем больше количество материи в данном объеме". Материя должна иметь инерцию - так объясняется различие периодов обращения планет. Это уже физика: борьба перемещающей силы Солнца и материальной инерции планет. Планеты наделены чем-то подобным весу или, точнее, внутренней способностью сопротивления движению. Но до инерции как фактора сохранения движения еще далеко.

Процесс образования понятия массы был прерван Декартом. "Я не признаю никакой инерции или природного сопротивления в телах".

Количество материи для Декарта есть объем, что противоречит догме о евхаристии - в Индекс его! (1663).

Гюйгенс исследовал соударение упругих тел и употреблял термин величина вместо термина масса (вес) в сюжете об отношении центростремительных сил.

Классическая физика

У Ньютона: "Количество материи (масса) есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее". "Определяется масса по весу тела, ибо она пропорциональна весу, что мной найдено было опытами над маятниками...".

Vis insita - врожденная сила материи - "присущая ей способность сопротивляться, по которой всякое отдельно взятое тело, поскольку оно предоставлено самому себе, удерживает свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Эта сила всегда пропорциональна массе, и если отличается от инерции массы, то разве только воззрением на нее. Инерция является силой, упорно сохраняющей движение". Но в законах понятия массы нет. По Ньютону инертная масса является свойством тела, зависящим от количества материи. Именно количество материи определяет величину гравитационного притяжения. Вес тела пропорционален количеству материи, но в разных областях Земли вес тела может быть разным. Количество материи вполне возможно определить количеством атомов - Ньютон был последователем атомной теории Демокрита.

Ньютон посчитал инерцию универсальным свойством в отличие от тяготения: "Я отнюдь не утверждаю, что тяготение существенно для тел. Под врожденной силой я разумею единственно только силу инерции. Она неизменна. Тяжесть при удалении от Земли уменьшается... ".

Ньютон установил связь между независимыми (до него) силой и ускорением, именно для этого ему понадобился коэффициент m.

В ньютонианской физике различают три массы:

- инертную массу (определяется через противодействие независимой силе),

активную гравитационную массу (центрального тела - источника гравитационного поля), пассивную гравитационную массу (притягивающегося тела).

Ньютон эмпирически установил пропорциональность инертной и пассивной масс на опыте с маятниками. Теоретическая пропорциональность активной и пассивной масс есть следствие третьего закона Ньютона. Принцип эквивалентности: численное равенство масс приводит к выводу о наличии одной и той же физической величины.

Иоганн Бернулли: "Масса, умноженная на ускорение свободного падения, есть вес тела".

Лейбниц. "Что касается ртути, то она в самом деле содержит приблизительно в 14 раз больше тяжелой материи, чем вода того же объема, но из этого не следует, что она в абсолютном смысле содержит в 14 раз больше материи". Первичная материя (монада) имеет протяженность и непроницаемость, вторичная (собрание монад) и есть масса.

Он отстаивает возможность таинства: троицы, воплощения и евхаристии.

Эйлер построил дедуктивную механику, в которой масса определяется посредством движущих сил: "сила равна массе, умноженной на ускорение".

Современные воззрения

"Масса является мерой количества материи" - так считали А.Ф. Иоффе и только один из 140 учебников начала ХХ века. В других учебниках масса определяется взвешиванием или делением силы на ускорение.

К середине века значительно возрос "вес" сторонников определения массы посредством ускорения.

Сила и масса - что положить в основу?

Масса может определяться по-разному не только в разных учебниках, но и в разных областях физики. В аксиоматических построениях масса наряду с положением, временем и частицей принимается в качестве неопределяемого понятия. Неявное определение в аксиоматической теории дополняется операциональными определениями и семантическими правилами соотнесения с опытом.

Электромагнитная масса (эпизод) Не является ли масса электромагнитным явлением? В этой гипотезе еще раз проявилась вера в существование в природе фундаментальной силы. Движение заряда в диэлектрике приводит к возрастанию энергии. Закон сохранения энергии требует компенсации - за счет возрастания массы, так что электромагнитная масса оказывается зависящей от скорости (Пуанкаре, Лоренц, Абрахам). Появилась первая полевая концепция.

Релятивистская масса

Масса определяется уравнениями. Вектор энергии-импульса параллелен скорости и постоянен во времени. Коэффициент при скорости считаем, как обычно, массой.

Порождает ли движение материю? - Нет. Дело в том, что в теории относительности понимание массы не может опираться на исторически предшествовавшие понятия: всякая связь с ними утрачена.

Новый фундаментальный принцип: материя есть то, чем она является, потому, что она делает то, что она делает взамен предшествующего: материя делает то, что она делает, потому, что она есть то, чем она является.