질량(質量)은 물질이 가진 고유한 양을 뜻한다. 이는 중등교육 수준 물리학에서 질량의 정의로, 진짜로 정의가 저렇다.
정의[편집 | 원본 편집]
SI 단위는 kg(킬로그램)으로, 스케일 접두사가 붙은 상태가 기본단위인 유일한 경우이다. 2018년 이전까지는 킬로그램 원기 1기만큼의 질량을 1kg라고 정의한 것이 끝이었다. 헌데, 온도와 전류 등 다른 단위계와는 달리 특정 금속덩어리라는 인공물을 기준으로 삼고 있기 때문에 시간이 지남에 따라 녹이 슬거나 흡착현상, 스크래치 등으로 시간이 지남에 따라 무게가 변하는 문제가 있다.
이에 따라 이전부터 보다 보편적인 물리량에 근거하여 더욱 정밀하게 질량의 기준을 세우고자 하는 움직임이 있었다. 2014년 재결의가 행해졌지만 무산되었고, 2018년까지 정밀도를 보충하여 다시 결의를 시도하였다. 2016년 기준으로 가장 정확하다고 주장하는 킬로그램 원기는 미국 국립 표준 기술 연구소(NIST)가 개발한 NISt-4라는 기계이다. 이는 물질의 질량과 전자기힘을 비교하여 플랑크 상수를 측정한다. 그리고 아인슈타인의 이론인 E=mc^2를 이용하여 질량을 구한다. 첫 측정에서의 정확도는 10억분의 34 측정불확도라는 수준이며, 2017년까지 10억분의 20 측정불확도까지 내릴 예정이라고 한다. [1]
결국 2018년 11월 16일 제26차 국제도량형총회에서는 킬로그램을 플랑크 상수 h가 6.62607015×10-34J⋅s가 되도록 하는 kg의 값으로 정의하였다. J⋅s는 kg⋅m2⋅s-1과 같다.
대학교 학부생 과정에서는 질량의 정의를 두 가지 방식으로 하는데, 그 물체의 중력장에서의 운동을 근거로 질량을 산정하는 중력 질량과, 기준되는 힘을 주었을 때 그 물체의 가속도를 이용하여 중력을 산정하는 관성·질량의 두 가지가 그것이다.
방사능의 발견 이전까지는 질량은 불변하는 양으로 여겼으나 상대성 이론 이후 질량과 에너지는 동치이며 서로 변할 수 있다는 것이 밝혀졌고, 그에 의해 양자역학 등 고에너지의 미시세계를 연구하는 분야에서는 아예 질량의 표기 자체를 eV라는 에너지의 단위로 하기도 한다.
무게와는 다르다! 무게와는![편집 | 원본 편집]
'질량'의 개념이 처음 나올 때 강조되는 것이 바로 무게와의 비교이다. 과학에서 정의하는 '무게'는 그 물체에 작용하는 중력의 크기로, 일종의 '힘의 크기'를 의미한다. 당연히 무게의 경우 중력의 크기가 다른 곳에서는 같은 물체라도 다른 값을 가지게 된다. 반면 질량의 경우 그 물체의 양 그 자체이기 때문에 어느 곳에 있더라도 그 크기가 동일하다[1].
이 두 개념의 차이는 중학교 1학년 과학에 등장하여 이제 막 초딩 티를 벗은 중학생들을 혼란에 빠뜨린다. 일상에서 쓰이는 단어의 개념을 바꾸어야 하기 때문.
정지 질량과 상대론적 질량[편집 | 원본 편집]
상대성 이론에 따르면 관측자와 물체의 상대 속도에 따라 물체의 질량이 변한다. 이렇게 관측자에 따라 달라지는 질량을 상대론적 질량(relativistic mass)라고 부른다. 반면 물체와 같은 속도로 이동하는 관측자가 측정한 질량은 정지 질량(rest mass) 또는 불변 질량(invariant mass)이라고 부른다.
유명한 식인 E = mc2를 이용하면, 운동하는 물체의 전체 에너지와 상대론적 질량의 관계를 다음과 같이 쓸 수 있다.
[math]\displaystyle{ E_{total} = m_{rel} c^2 }[/math]
같은 식에 정지 질량을 넣어 구한 에너지는 정지 에너지라고 부른다.
[math]\displaystyle{ E_{rest} = m_{rest} c^2 }[/math]
두 질량 사이의 관계는 다음과 같다.
[math]\displaystyle{ m_{rel} = \gamma m_{rest} = {m_{rest} \over \sqrt{1-v^2/c^2}} }[/math]
여기서 [math]\displaystyle{ \gamma = {1 \over \sqrt{1-v^2/c^2}} }[/math]는 로렌츠 인자라고 부른다.
현대의 물리학자들은 질량을 일반적으로 정지 질량의 의미로 쓰며, 상대론적 질량은 잘 사용하지 않는다. 관측자에 따라 질량이 달라지면 물리 법칙을 기술하기 불편하기 때문이다.