“Masse” ist einer der physikalischen Begriffe, die etwas überladen sind. Letztlich verwenden wir den Begriff für mehrere Dinge, die nur unter ganz bestimmten Bedingungen dasselbe sind, und das kann ziemlich verwirrend sein. Aber keine Sorge, heute entwirren wir die Masse in aller Ruhe.
Um zu sehen, warum der Begriff problematisch ist, schauen wir als erstes mal auf den Quell allen Wissens
Dort lesen wir über die Masse:
“Zugleich bestimmt sie die Trägheit eines Körpers. Das heißt, sie ist als träge Masse ein Maß für seinen Widerstand gegen Änderungen seines Bewegungszustands.”
Aha. Die Masse bestimmt also die Trägheit eines Körpers. Logischerweise sollte man erwarten, dass große Masse zu großer Trägheit führt (jedenfalls wenn die Beziehung monoton steigend ist, nur falls hier jemand gerade mathematische Haare spalten will…), kleine Masse zu kleiner Trägheit. Wenn etwas gar keine Masse hat, dann sollte es wohl auch gar keine Trägheit haben.
So weit so gut. Dumm nur, dass wir kurz danach das hier lesen:
“Allerdings sind auch masselose Teilchen, wie das Photon, träge.”
Äh – wie jetzt? Die Masse bestimmt die Trägheit, aber masselose Teilchen sind auch träge?
Und dann lesen wir noch
“Als schwere Masse bezeichnet man die Quelle der Gravitationskraft.”
Und zu allem Überfluss
“Ein heute noch in der Experimentalphysik und der populären Literatur häufig verwendeter Begriff ist die relativistische Masse.”
Äh, ja. Könnt ihr euch vielleicht mal einigen? Masse ist also ein Maß für die Trägheit (außer wenn sie es nicht ist) und ist manchmal ist sie auch schwere Masse (gibt’s auch leichte Masse?) oder auch relativistische Masse? Und hat die Masse nicht auch etwas mit dem Higgsfeld zu tun (ist die Masse nicht irgendwie durch die Wechselwirkung mit dem Higgsfeld bestimmt)?
Wenn alle diese unterschiedlichen Konzepte immer dasselbe wären, dann wäre ja alles in Ordnung, aber so ist es leider nicht. Deshalb lohnt es sich, die unterschiedlichen Aspekte des Massenbegriffs einmal in Ruhe auseinanderzudröseln.
Die Masse in der newtonschen Physik
Fangen wir mit der newtonschen Physik an. Eigentlich ist die natürlich “falsch”, aber bei sehr kleinen Geschwindigkeiten (und Schwerefeldern) ist sie so genau, dass alle Abweichungen vollkommen in jeder Messungenauigkeit untergehen. Außerdem versteht man so vielleicht am besten, wo die unterschiedlichen Masse-Konzepte eigentlich herkommen.
In der newtonschen Physik hat jeder Körper eine Masse. (Masselose Teilchen ergeben in der newtonschen Physik keinen Sinn.) Diese Masse ist eine feste und unveränderliche Größe. Sie taucht im Zusammenhang zwischen Kraft und Beschleunigung auf: F=ma, Kraft ist Masse mal Beschleunigung. Weil die Masse sagt, wieviel Kraft ich brauche, um etwas zu beschleunigen, bestimmt sie die Trägheit. Diese Masse hier kann man also die träge Masse nennen.
Die träge Masse können wir messen, indem wir mit bekannter Kraft gegen einen Körper treten und die Änderung der Geschwindigkeit (eben die Beschleunigung) messen.
Die Masse taucht auch im Gravitationsgesetz auf. Die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern ist proportional zu ihren Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes. Wenn ihr auf der Erdoberfläche steht, ist die zweite Masse die der Erde und der Abstand ist der zum Erdmittelpunkt. Weil diese Masse etwas mit der Schwerkraft zu tun hat, nennen wir sie die schwere Masse.
Wir können die schwere Masse messen, indem wir einen Körper zum Beispiel auf eine Waage stellen. Dabei wirkt die Federkraft der Waage der Schwerkraft entgegen. Weil wir wissen, wie stark die Federkraft ist, wenn die Feder mehr oder weniger stark verformt wird, können wir über die Kraft die Masse bestimmen. (Diese Kraft nennt man auch Gewichtskraft. Gewicht (eine Kurzfassung für Gewichtskraft) und Masse sind nicht dasselbe, weil die Gewichtskraft davon abhängt, wo wir den Körper auf die Waage stellen; auf dem Mond oder der Venus ist die Gewichtskraft entsprechend eine andere, die Masse ist aber dieselbe.)
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