Khối lượng là một trong những đại lượng vật lý cơ bản nhất của tự nhiên, đặc trưng cho mức độ quán tính chống lại gia tốc của vật thể khi chịu tác dụng của ngoại lực, đồng thời quyết định cường độ tương tác hấp dẫn giữa vật thể đó với các vật thể khác trong không-thời gian.
Hai khía cạnh cổ điển và nguyên lý tương đương
Trong cơ học cổ điển Newton, khối lượng biểu hiện qua hai phương diện vật lý độc lập:
- Khối lượng quán tính: Thước đo sức ỳ của vật thể trong định luật hai Newton: .
- Khối lượng hấp dẫn: Đại lượng đóng vai trò như "điện tích hấp dẫn" quyết định lực hút vũ trụ trong định luật vạn vật hấp dẫn: F = G rac{m_{g1} m_{g2}}{r^2}.
Nguyên lý tương đương của Albert Einstein khẳng định khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn là hoàn toàn đồng nhất về mặt bản chất (). Đây chính là giả định nền tảng để xây dựng thuyết tương đối rộng, mô tả lực hấp dẫn như sự cong của không-thời gian do vật chất gây ra.
Nguồn gốc vi mô của khối lượng trong vật lý lượng tử
Trong vật lý hạt nhân và mô hình chuẩn, nguồn gốc khối lượng của vật chất được giải thích qua hai cơ chế lượng tử khác biệt:
- Cơ chế Higgs: Tương tác giữa các hạt cơ bản sơ cấp (như quark và lepton) với trường Higgs tạo ra khối lượng nghỉ tĩnh cho các hạt này.
- Năng lượng liên kết lượng tử (QCD): Theo phân tích kinh điển của Frank Wilczek (1999), khối lượng của các hạt hadron như proton và neutron (tạo nên phần lớn khối lượng của các nguyên tử thông thường) không đến từ khối lượng nghỉ của hạt quark mà chủ yếu sinh ra từ động năng và năng lượng trường liên kết gluon trong sắc động học lượng tử theo hệ thức tương đương năng lượng - khối lượng: .
Định nghĩa chuẩn Kilogram trong Hệ đo lường quốc tế SI
Trong lịch sử đo lường, đơn vị khối lượng kilogram từng được định nghĩa bằng một khối trụ bạch kim-iridi nguyên mẫu lưu giữ tại Paris. Tuy nhiên, định nghĩa này có nguy cơ sai số theo thời gian.
Theo báo cáo của Stock và cộng sự (2019) cùng kết quả chuẩn hóa CODATA của Newell và cộng sự (2018), Hệ đo lường quốc tế (SI) đã định nghĩa lại đơn vị kilogram thông qua việc cố định giá trị số chính xác của hằng số Planck . Nhờ đó, việc chuẩn hóa khối lượng hiện nay có thể thực hiện độc lập tại bất kỳ phòng thí nghiệm chuẩn quốc gia nào thông qua cân Kibble hoặc phương pháp đếm nguyên tử silicon.
| Khái niệm / Loại khối lượng | Bản chất vật lý | Biểu thức toán học / Cơ chế |
|---|---|---|
| Khối lượng quán tính | Đo lường quán tính chống lại gia tốc | |
| Khối lượng hấp dẫn | Tạo ra và chịu tác dụng của trường hấp dẫn | |
| Khối lượng nghỉ tương đối tính | Khối lượng nội tại của hạt trong hệ quy chiếu đứng yên | |
| Khối lượng sắc động học (QCD) | Năng lượng trường gluon giam giữ quark trong hadron | Năng lượng liên kết chân không lượng tử |
Ý nghĩa trong vật lý thiên văn và vũ trụ học
Trong quy mô vũ trụ học, phân bố khối lượng quyết định động lực học giãn nở của vũ trụ. Các quan sát đường cong quay của thiên hà và thấu kính hấp dẫn chỉ ra rằng phần lớn khối lượng trong vũ trụ tồn tại dưới dạng vật chất tối (Dark Matter) chưa rõ bản chất, mở ra biên giới nghiên cứu mới cho vật lý lý thuyết hiện đại.