Почему пропал смысл различать гравитационную и инертную массы?

На первый взгляд может показаться, что нет ничего более простого в физике, чем масса материального тела. С этой величиной мы сталкиваемся ещё до начала изучения самого курса физики. Школьные задачки активно используют килограммы и варьируют разные условия, где есть вычисления суммарной массы или нечто похожее на это. Да и в обычной жизни это совершенно стандартная величина, которая не вызывает никакого удивления. Поэтому, «вау-эффекта» как с синхрофазотроном тут точно ожидать не стоит.

При таком раскладе сложно даже подумать, что понятие массы — вещь очень интересная и невероятно многогранная. Ещё не так давно было бы уместно добавить и фразу «неоднозначная», но сейчас теоретическая база стала более совершенна.

Самый популярный вопрос про массу — откуда она вообще появляется у тела? Он очень часто обсуждается и наверняка вы уже слышали, что масса есть проявление взаимодействия материального объекта с полем Хиггса. Это выглядит, как привычная нам величина и сегодня это наиболее оптимальная и проработанная модель описания появления массы у любого материального объекта. Но помимо этого есть ещё кое-что. Массы существуют разные. Ну или лучше сказать — так было некоторое время назад.

Яблоко на вашем столе прямо сейчас имеет сразу и инертную, и гравитационную массу. Это обнажает очень сложную и интересную физическую проблему. Можно ли считать, что гравитация — это точно тоже самое, что и инерция? И достаточно ли тут факторов, чтобы ставить знак равенства? Начнём с самих «масс».

Первая из них — инертная масса. Это понятие напрямую связано с законами Ньютона и, скорее всего, если вы хоть что-то помните из курса физики, то именно определение инертной массы отложилось у вас в голове. Вы, конечно же, думаете, что это «глобальное» определение любой массы. Оно звучит как масса есть мера инертности тела.

Из определения следует, что масса является коэффициентом пропорциональности между импульсом и скоростью (вспоминаем первый закон Ньютона) или между силой и ускорением (вспоминаем второй закон Ньютона). По сути, масса будет описывать то, насколько сильно некоторое противодействие мешает силе разогнать объект или вывести его из состояния равномерного движения. Это и есть мера инертности.

Вторая масса — это гравитационная масса. Она описывает степень воздействия гравитационного поля на материальный объект. Для упрощения можно говорить, что это способность тела притягивать другое тело. С ней мы сталкиваемся в тех случаях, когда легендарное яблоко падает с не менее легендарного дерева.

И та, и другая величина измеряются в килограммах. Так зачем же тогда вообще было разделять эти понятия?

Сейчас у нас есть все основания полагать, что эти значения и правда равны. Но когда-то физики воспринимали вопрос совсем иначе и не было проведено столь точных лабораторных исследований. Считалось, что инертная и гравитационная массы вполне могут отличаться.

Вместе с этим возникал и куда более важный вопрос — что делать с инерцией и гравитацией? Эти явления всегда были подозрительно похожи друг на друга. Вот только объяснить их исчерпывающе никто тогда не мог. Потому выделили два вида массы, так как полагали, что участвуя в разных взаимодействиях, будут проявляться и разные аспекты материального тела. Что инертная масса и гравитационная масса — это разные показатели, обусловленные разной природой.

Позже Эйнштейн провёл занятный мысленный эксперимент. Он утверждал, что человек, закрытый в деревянном ящике, никогда не сможет определить почему именно движется сам ящик. То ли он толкается с ускорением, то ли его сбросили с балкона третьего этажа. Эта логика вылилась в принцип эквивалентности и получила математическую поддержку, а эксперимент запомнился как лифт Эйнштейна. Причина существования инерции стала рассматриваться как и причина появления гравитации. Во всём виновато искажение пространства-времени, которое проявляется при появлении массивного объекта. Ну, а сама масса скорее относится к энергетической характеристики объекта, нежели к стандартной скалярной величине.

Если природа появления сил инерции и гравитации одинаковы, то инертная и гравитационная массы для любого тела тоже будут равными. Это подтверждено и доказано. Поэтому, сегодня от двух масс остались только два разных названия.

И да, яблоко на вашем столе из примера выше всё равно продолжает иметь две массы, только они равны друг другу. Во многом рассуждения, построенные на равенстве этих масс, которое было обнаружено довольно давно, привело Эйнштейна к формулировке его легендарной теории.

С момента обнаружения поля Хиггса и описания механизма формирования массы разделение становится фактически условным. Ведь что инертная, что гравитационная массы появляются у тела в следствие работы одного и того же процесса. На данный момент различие имеет смысл только в качестве обозначения рассматриваемого аспекта проблемы, но физическая суть при этом не меняется.