질량이란 무엇일까?

#1 질량이란?

질량은 물리학에서 물질이 가지고 있는 고유한 양을 일컫는 말이다. 질량의 SI 단위는 킬로그램이다. 질량의 개념은 고대 그리스의 여러 철학자들의 물질이나 물질관에 대한 토론으로부터 비롯되었다.

질량은 물체가 가지는 고유한 양이며 고유하기 때문에 질량은 변화하지 않고 보존된다. 그런데, 무게는 지구상에서는 질량과 중력가속도의 곱이므로 무게는 지구에서나 어디서나 다르다. 다시 말해 지구에서 측정한 무게가 질량과 중력가속도가 다른 달또는 화성 등에서 측정한 무게가 다른 것이다.

 

 

 

#2 질량의 세 가지 방법

• 관성질량 -  에른스트 마흐의 방식에 따라 뉴턴의 운동법칙으로 정의된다. 뉴턴의 작용-반작용 법칙에 가속도의 법칙을 적용해 "두 물체를 작용시켰을 때, 두 물체의 가속도는 항상 반대 방향이며, 그 크기의 비는 두 물체에 고유한 양이 된다."라고 해석하고, 물체의 질량을 기준물체의 질량에 대한 배수로 정의한다. 즉 물체의 관성질량이 m이고 이 물체에 F의 힘이 작용하면, 가속도 a=F/m으로 주어진다.

 

• 상대론적 질량 - 기준계의 운동과 관계없이 맥스웰 방정식이 동일한 형태로 유지되도록 로런츠 변환을 적용하는 과정에서 등장하였다. 로런츠 변환을 적용할 때 운동량 보존 법칙이 성립하려면 물체의 질량이 속도에 의존하는 값이 된다. 운동량 보존 법칙에서 유도된 상대론적 질량 또한 관성질량이다. 상대론적 질량은 물체가 기준계에 대해 불변량이 정지해 있을 때의 질량으로 나타내지며, 이를 고유 질량 또는 정지 질량이라고 한다. 전자의 비전하에 대한 실험 결과 전자기적 질량이 틀린 이론이고 상대론적 질량이 옳은 이론임이 확인되었다. 특수 상대성 이론에서 질량-에너지 동등성을 유도된다. 쌍생성, 쌍소멸의 경우와 같이 질량과 에너지는 남김없이 변환될 수 있다.
• 능동적 중력질량과 수동적 중력질량 - 뉴턴의 중력법칙으로 질량을 정의한다. 전자는 물체가 주위에 만드는 중력장의 크기의 비로 질량을 정의하고, 후자는 중력장을 만드는 물체에서 같은 거리만큼 두 물체가 떨어져 있을 때, 두 물체에 작용하는 중력의 크기의 비로 질량을 정의한다. 즉, 지구 표면에서 지구가 물체에 작용하는 힘의 크기를 Fg, 중력가속도의 크기를 g라 하면, 물체의 수동적 중력질량은 Fg/g가 된다. 관성질량과 수동적 중력질량은 실험적으로 높은 정밀도로 확인되어 있으며, 능동적 중력질량과 수동적 중력질량의 동등성은 작용 반작용의 법칙에서 유도된다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서는 관성질량과 수동적 중력질량이 같은 것으로 가정되므로 세 가지 질량의 정의가 이론적으로 동등하다.

#3 단위

현재 국제단위계에 따르면 질량은 킬로그램이라는 단위로 측정된다. 킬로그램에 대한 공식적인 정의는 다음과 같다.

킬로그램(kg)은 질량의 단위이다. 킬로그램은 국제킬로그램원기의 질량과 같다.

 

 

이 정의는 1901년 제 1차 국제도량형총회에서 정해진 것이다. 이 정의가 있기 전까지 킬로그램은 4℃의 물 1L의 질량이라고 정의되어 있었지만 물의 밀도의 불안정성 때문에 1889년 미터 조약에서 1kg에 해당하는 질량 원기를 만들게 되었다. 현재 7개의 SI단위 가운데 유일하게 질량만이 인공적으로 만든 원기를 표준으로 삼아 질량의 단위를 정의하고 있는데, 이 이유는 국제킬로그램원기를 통해 원자 하나가 측정될 때 수반되는 오차 수준의 정밀도보다 높은 정밀도로 측정하고자 하는 물체의 질량을 알 수 있기 때문이다.

 

또한 이 당시에는 원자질량단위가 생각되는 시대가 아니었다. 현재 이 원기는 인공물이어서 물리적 특성이 변할 수 있다는 우려 때문에 2011년에 열린 제 24회 국제도량형총회에서 기존의 원기를 폐지하고 새로운 질량의 정의를 도입할 방침을 밝혔다. 가장 가능성이 높은 새 대안은 플랑크 상수를 통해 질량을 정의하는 방안이다.

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오늘은 질량에 관한 포스팅을 해봤는데 많은 도움이 되셨나요?

질량을 포스팅하면서 질량을 정의하는 방법부터 질량의 방법까지 여러가지 내용들을 배우게 됐어요.

여러분들도 많은 도움이 되셨으면 좋겠습니다! :-)