כאשר formula_7 היא "מסת המנוחה" (מסת הגוף כאשר הוא במנוחה). מסת המנוחה היא אינווריאנטה של הגוף ורוב הפיזיקאים מתייחסים אליה פשוט כאל מסת הגוף ורושמים formula_8 במקום להשתמש במושג המסה היחסותית.
בתורת היחסות הכללית.
מעקרון השקילות החזק של איינשטיין, נובע שמסת הכבידה הפסיווית שווה למסת ההתמד.
המסה והמשקל.
טעות טרמינולוגית נפוצה היא חוסר הבדלה בין מסה למשקל. טעות זו נובעת מכך שלצרכים יום-יומיים, מסה ומשקל פרופורציוניים זה לזה, ובהרבה מקרים (כגון בחישובי עומס) הנתון הרלוונטי הוא המשקל דווקא, כמו כן, נובעת טעות זו מהבלבול ההיסטורי שרווח בין יחידת "קילוגרם כוח" ליחידת ה"קילוגרם מסה". על אף הבלבול, חשוב להבחין בין מסה למשקל.
בעוד מסתו של גוף היא תכונה קבועה (כשהגוף במנוחה), המשקל אינו כך. משקלו של גוף על פני כדור הארץ הוא הכוח שבו נמשך הגוף אל כדור הארץ. באופן דומה, משקלו של גוף על הירח הוא הכוח בו הוא נמשך אל הירח, והוא שונה מהכוח בו הוא נמשך לכדור הארץ. משקלו של אדם בכדור הארץ יכול להיות 1200 ניוטון ובירח הוא יעמוד על כ-200 ניוטון —כשישית ממנו. לעומת זאת, אם מסתו של אותו אדם היא 80 קילוגרם, המסה תישאר 80 קילוגרם גם בירח או בכל גרם-שמים אחר. כל עוד לא גרענו או הוספנו חומר לגוף, מסתו לא תשתנה; משקלו של גוף ישתנה בתלות למערכת בה נמדד.
את המשקל מודדים בעזרת מאזני קפיץ או דינמומטר - מכשיר שהוא בעיקרו קפיץ הנמתח באופן יחסי לכוח המופעל עליו. לעומת זאת, את המסה מודדים באמצעות מאזניים - מכשיר המשמש להשוואה בין מסתו של גוף למסה ידועה מראש (כאשר שתי המסות נמצאות באותו שדה כבידה).
המשקל הוא כוח, וככזה, יחידותיו הן יחידות של כוח - ניוטון או דיין, אך במצב מנוחה, ללא תאוצה על פני כדור הארץ, קיים יחס המרה שניתן להתייחס אליו לרוב כקבוע (הוא משתנה מעט בין קו המשווה לבין הקטבים) בין המסה למשקל העומד על כ-9.81 ניוטון לקילוגרם (יחס זה מכונה גם תאוצת הנפילה החופשית).
יחידה נוספת ומיושנת למדידת כוח, השימושית כיום בעיקר למדידת משקל, היא ה"קילוגרם-כוח" - קג"כ. כיום יחידה זו אינה שמישה במדע, אך בחיי היומיום עדיין נעשה בה שימוש, אם כי לא במודע, כאשר מדברים על מדידת משקל; יחידה זו שווה בקירוב טוב ל-9.81 ניוטון כך שבעת שימוש ביחידה זו, המסה והמשקל על פני כדור הארץ שווים בקירוב טוב בגודלם. לכן, יש המבלבלים בין יחידת הקילוגרם בשימושה כיחידת מסה לבין שימושה כיחידת משקל. כאשר אומרים "קילוגרם עגבניות" מתכוונים לרוב למשקל של קילוגרם-כוח אחד הפרופורציונלי לקילוגרם (מסה) אחד בכדור הארץ.
יחידות למדידת מסה.
יחידת המסה הבסיסית בתקן מערכת היחידות הבינלאומית היא הקילוגרם, שרבים מחשיבים אותו בטעות ליחידת משקל (ראו בהמשך). הקילוגרם הוא יחידת מסה שרירותית, שהיה מיוצג עד למאי 2019 על ידי המסה של גליל שעשוי מסגסוגת של פלטינה (90%) ואירידיום (10%) בגובה וקוטר של 39.17 מ"מ השמור בלשכה הבינלאומית למידות ומשקלות בעיירה סבר (ליד פריז) בתנאי טמפרטורה ולחץ קבועים. כיום מוגדר הקילוגרם בהתבסס על קבועים יסודיים של הטבע, והוא נגזר מהגדרת ערכו של קבוע פלאנק כ formula_9. מסה זו קרובה מאוד למסה של 1,000 סמ"ק מים מזוקקים בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס.
יחידות מידה נוספות הן גרם, מיליגרם, וטון.
1000 מ"ג=1 גרם
1000 גרם=1 ק"ג
1000 ק"ג=1 טונה
תורת החלקיקים.
בוזון היגס הוא חלקיק יסודי אשר על פי המודל הסטנדרטי לוקח חלק במנגנון שמעניק לחלקיקים אלמנטריים רבים מסות. החלקיק קרוי על שמו של המדען הבריטי פיטר היגס שהציע את קיומו ואף קיבל פרס נובל על כך לאחר גילוי החלקיק ב-CERN בשנת 2012, אותו חלק עם פרנסואה אנגלר.
חלקיקים חסרי מסה.
לחלקיקים שמתווכים את הכוחות היסודיים אין מסה.
מסה שלילית.
מסה שלילית מתארת חומר היפותטי אשר מסתו מיוצגת על ידי מספר שלילי בעל סימן מנוגד למסת החומר הרגיל, למשל קילוגרם. חומר כזה יפר אחד או יותר מחוקי הטבע הבסיסיים, ועשוי להציג תכונות מוזרות ובלתי מוכרות הנובעות מחוסר המידע על השפעת הכבידה עליו, וכיצד היא צריכה להתייחס לכוח או לתאוצה המכוונת הפוך למסה שלילית.
בדומה למסה חיובית, ניתן גם להגדיר את המסה השלילית כגודל פיזיקלי המנוגד למסה החיובית. למשל, מסה קובעת את כוח הכבידה שמפעילים גופים זה על זה. ככל שמסת הגופים עולה, כמות הכבידה שהם מפעילים זה על זה עולה ביחס ישר. לפיכך נוכל לשער שאם החוקים אכן מגונדרים בין מסה חיובית לשלילית, כך גם יחסי ההשפעות של גופים בנוגע לכבידה – ככל שהמסות של גופים בעלי מסות שליליות עולה, כך כמות הכבידה שהם מפעילים זה על זה קטנה ביחס הפוך, עד כדי דחייה מוחלטת.
קילוגרם
קילוגרם (בראשי תיבות: ק"ג או kg; מילולית: אלף גרם) הוא יחידת המידה הבסיסית של מסה לפי תקן מערכת היחידות הבינלאומית.
בהשאלה, בחיי היום יום, כשאומרים "קילוגרם" מתכוונים לעיתים לקילוגרם-כוח, שהיא יחידת משקל (כלומר, יחידת כוח). בניגוד למסה, המשקל אינו תכונה של החומר, שכן המשקל של גוף בן קילוגרם אחד משתנה בהשפעת כוח הכבידה שפועל על הגוף.
הגדרת הקילוגרם.
ב-1793, הוגדר הקילוגרם כמסתם של 1,000 סמ"ק (או ליטר) של מים מזוקקים בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס ובלחץ של אטמוספירה אחת. מכיוון שהגדרה זו לא הייתה מעשית, ב-1889 הוחלפה ההגדרה, בה הוגדר הקילוגרם כמסתו של מוט (הקרוי Le Grand K ) העשוי מסגסוגת של פלטינה ואירידיום ואשר שמור בלשכה הבינלאומית למידות ולמשקלות בפריז.
בשנת 2005, לאחר שהתברר שבמרוצת הזמן, מסת המוט משתנה ביחס לשכפוליה, גם אם באופן זעיר (כדי מסת גרגר חול), המליצה הוועדה הבינלאומית למידות ולמשקלות להגדיר מחדש את הקילוגרם באמצעות קבועים אוניברסליים, ובכך להבטיח הגדרה התקפה בכל תנאי.
ב-16 בנובמבר 2018 נערכה הצבעה רשמית ואושרה ההגדרה החדשה של הקילוגרם, והיא נכנסה לתוקף ב-20 במאי 2019. בהחלטה נקבע כי יש להגדיר את הקילוגרם כפועל יוצא של הגדרת קבוע פלאנק, בנוסחה:
formula_1
הגדרה זו קושרת את הקילוגרם לשלושה קבועים אוניברסליים בפיזיקה: קבוע פלאנק, מהירות האור וקבוע המבנה הדק, כך שהקילוגרם החדש לא יכול להשתנות לעולם (בהנחה שקבועי הטבע אינם משתנים).
את הקילוגרם החדש ניתן למדוד באמצעות מכשיר הנקרא מאזני קִיבְּל .
קילוגרם מסה וקילוגרם כוח.
בעבר הבדילו בין קילוגרם-מסה לבין קילוגרם-כוח: קילוגרם-כוח (קג"כ) אחד הוגדר ככוח שאיתו כדור הארץ מושך מסה של קילוגרם-מסה (קג"מ) אחד, קרי 9.81 ניוטון. כיום מונחים אלה כבר לא בשימוש, והמינוח "קילוגרם" משמעו קילוגרם-מסה.
יחידות מידה הנגזרות מהקילוגרם.
יחידות מסה נוספות הנגזרות מהקילוגרם, על-פי הקידומות המקובלות הן:
ליקוי חמה
ליקוי חמה מופיע כאשר כדור הארץ, הירח והשמש נמצאים על אותו ציר. המסלולים מצטלבים אחת לשישה חודשים בערך, ואירוע זה מכונה "עונת הליקויים". במהלך הליקוי, המתרחש בעת מולד הירח (תחילת החודש בלוח העברי), הירח נמצא בין כדור הארץ והשמש, ומסתיר את השמש או את חלקה מעיני צופים הנמצאים על כדור הארץ. ליקוי מלא מתרחש במקום כלשהו על פני כדור הארץ בממוצע כל 18 חודשים, וכל נקודה על פני כדור הארץ תזכה לליקוי חמה מלא אחת ל-370 שנה. לפחות פעמיים בשנה (ולא יותר מחמש) מתרחש ליקוי חמה במקום כלשהו בעולם. בששת אלפים השנים שבין 2000 לפנה"ס ועד 4000 לספירה התרחשו ויתרחשו 14,263 ליקויים (3,979 מהם ליקויים מלאים), דהיינו קצת פחות מ-2.4 ליקויים בשנה בממוצע. ליקוי החמה המלא הארוך ביותר ב-8,000 שנה צפוי ב-16 ביולי 2186. אורכו יהיה 7:29 דקות, רק שלוש שניות פחות מהמקסימום התאורטי האפשרי.
כשהירח מכסה את השמש כולה זהו ליקוי חמה מלא. ליקוי חלקי קורה כאשר הירח אינו קרוב דיו לציר שמש-ארץ, ולכן אינו חוסם באופן מוחלט את אור השמש. גם כאשר מתרחש ליקוי מלא, הוא נראה במלואו רק באזור צר לאורך כדור הארץ, ורק למשך דקות ספורות. בעת ליקוי מלא ניתן לראות את עטרת השמש. מכיוון שמרחק הירח מכדור הארץ משתנה מעט, לעיתים מתרחש גם ליקוי טבעתי, שבו בשיא הליקוי, במקום שהירח יסתיר את כל השמש, נראית סביבו טבעת זוהרת. ליקוי חמה יכול להתרחש אך ורק סמוך מאוד לתחילתו או לסופו של החודש העברי, משום שראש חודש נקבע תמיד בסמוך למולד הלבנה, דהיינו המועד שבו הירח עובר סמוך לקו הדמיוני המחבר את כדור הארץ עם השמש.
לא בכל פעם שיש ירח מלא או ירח חדש יופיעו ליקוי ירח וליקוי חמה, מאחר שמישור מסלול הירח מוטה ב-5.2 מעלות יחסית למישור מסלול כדור הארץ סביב השמש. לכן, ליקוי ירח או ליקוי חמה יופיעו בשתי נקודות החיתוך של שני המישורים.
ליקוי החמה שהתרחש ב-29 במאי 1919 שימש לאישוש תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין. משלחת מדעית הצליחה לצלם בזמן הליקוי המלא כוכב שהיה מאחורי השמש בזמן הליקוי. העובדה שכוכב זה נצפה, הוכיחה את טענתו של איינשטיין לגבי עקמומיות היקום, שגורמת לאורו של הכוכב לנוע בקו עקום ולעקוף את השמש.
מחזורי ליקוי.
אם ידוע זמן של ליקוי אחד, ניתן לחשב את מועד הופעתם של ליקויים נוספים, על פי מחזורי הליקוי. הידוע במחזורי הליקוי הוא מחזור סארוס, שמשכו 6,585.3 ימים, כלומר לאחר 18 שנים ו-11 ושליש ימים, שהם 223 חודשים סינודים (חודש סינודי הוא זמן ההקפה של הירח ביחס לקו המחבר את השמש וכדור הארץ), יתרחש ליקוי נוסף 120 מעלות אורך מערבה מהליקוי שלפניו. על סמך הכרת מחזורים אלו הצליח, על פי ההיסטוריון הרודוטוס, תאלס איש מילטוס לחזות מראש ליקוי חמה בשנת 585 לפנה"ס. הליקוי התרחש בעת קרב בין שני צבאות וחיילי שני הצבאות נבהלו, השליכו את כלי נשקם וכרתו שלום.