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질량

last modified: 2014-01-29 23:24:56 by Contributors

한자: 質量
영문: Mass

Contents

1. 개요
2. 과거까지의 질량의 정의
3. 상대성 이론의 등장
4. 양자역학의 도입
4.1. 관련항목

1. 개요

질량(質量, 영어: mass)은 물질이 가지고 있는 고유한 물리량을 일컫는 말이다. SI 단위는 킬로그램(kg). 일상 생활에서 무게를 통해 쉽게 느낄 수 있는 매우 기초적인 물리량이지만 그 정체는 과거부터 상당히 모호했다. 분류 자체는 질량은 일반적으로 관성질량, 능동적 중력질량, 수동적 중력질량으로 분류.

그런데, 고전역학에서는 관성질량은 F=ma의 m이고 수동적 중력질량은 F=GmM/r^2에서 m이다. 여기에서, 실험적으로 이 둘 사이에는 비례관계가 있고 중력 상수만 적절히 조절하면 두 값이 같도록 만들 수 있어 관성질량과 중력질량을 같은 것으로 취급해도 된다. 지속적으로 정밀도가 향상된 실험이 진행되어 결국 관성질량이 중력질량에 비례함을 확인하였다. 관성질량과 중력질량이 5×10^-13의 정밀도로 일치함은 실험적으로 확인되었다.

일반 상대성 이론에서는 관성질량과 수동적 중력질량이 서로 비례하는 것이 등가원리에 의해 당연하다. '균일한 중력장 아래서 기술되는 물리법칙은 그 중력장에 해당하는 등가속도 운동을 하는 기준계에서 기술되는 물리법칙과 동일하다.'는 것으로, 주로 무중력 공간에서 (기준좌표계 기준으로) 상승하는 엘리베이터를 타는 것과 지구에 있는 것을 구분할 필요도, 구분할 수도 없다는 예시를 통해 자주 인용된다.

현대 물리학에서 정의되는 중력, 전기력, 약력, 강력 중 그 정체가 가장 늦게 밝혀진 힘이다. 이러한 힘을 하나로 통합하려는 통일장 이론이나 초끈이론에서도 중력이 걸림돌이 되었기에 많은 현대 물리학자들의 주적이었다. 자세한 것은 힉스 입자 참조.

2. 과거까지의 질량의 정의

과거에는 그 정체보다는 물질의 실체성과 연관된 질량의 정의를 중요시한 경향이 있다. 물질 자체를 실재적인 특징 아래에 있는 근본적인 질료를 가지고 있는 존재로서 이해하려는 노력이 수반되면서, 질량에 대한 이해와 인식의 확대와 더불어 이러한 물질에 대한 형이상학적 인식은 질량의 절대성을 확립하는 데 큰 영향을 미쳤다. 프랑스의 화학자 앙투안 라부아지에가 증명한 화학반응에서의 질량 보존법칙을 통해 질량은 결코 변하지 않는 물질의 실체 그 자체이면서 반드시 보존되는 물리량으로 자리잡게 된다.

때문에 질량 그 자체에 대해서의 인식에 대해서는 꾸준히 변화했고 물리량으로써의 질량의 개념이 확립된 것은 근대 이후다. 다만, 질량은 만유인력이라는 측정 가능한 형태의 힘으로 간접적으로 측정됐기에 주로 운동학, 힘, 에너지, 무게 등으로 질량을 정의하려는 시도는 꾸준히 있어왔다.

3. 상대성 이론의 등장

그런데, 상대성 이론에 의해 질량이 에너지의 형태로 변환될 수 있음이 증명되면서 이러한 인식이 흔들리게 된다. 즉 질량-에너지 동등성이라는 새로운 논리에 의해 질량의 절대성이 붕괴된 것이다. 이와 같은 부분은 최종적으로 상대성 이론에서 질량과 에너지는 같은 단위와 수치를 가지면서 상대론적 질량은 에너지의 다른 이름이 되어 따로 언급하는 것이 불필요하게 된다.

다만 질량이 보존되는 물리량이라는 사실에는 변함이 없고, 그저 질량-에너지 등가 개념에 의해 질량 보존의 법칙과 에너지 보존을 하나로 묶은 것이다. 정지질량을 그 질량을 유지한 채 등가 활성에너지로 (운동에너지, 열, 또는 빛) 변환할 수 있으며 마찬가지로, 운동에너지나 복사 형태의 활성 에너지도 정지질량을 갖는 입자로 변환될 수 있다는 것. 닫힌 계에서의 전체 질량+에너지는 일정하다고 정의할 수 있는 것이다.

4. 양자역학의 도입

이렇게 다대한 변화를 거쳐온 질량의 개념은 양자역학이 도입되면서 뜬금없이 엄청난 대격변을 겪게 된다. 자세한 것은 힉스 입자 참조.

요약하자면, 게이지 대칭성이 힉스 입자에 의해 저절로 깨지면서 게이지 보손과 페르미온이 질량을 가지게 되는 것을 힉스 메커니즘이라 하고, 이때 질량의 정의는 물체가 힉스 입자와 상호작용하는 정도를 정량적으로 표시한 값이다.뭔소리
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