Khối lượng là đại lượng đo mức quán tính của một vật: khối lượng càng lớn thì càng khó làm vật thay đổi vận tốc. Khối lượng đo bằng kilôgam và không đổi dù vật ở Trái Đất, Mặt Trăng hay ngoài vũ trụ. Trọng lượng thì khác: đó là lực hấp dẫn kéo vật, đo bằng niutơn, và thay đổi theo nơi vật đứng. Phân biệt hai chữ này là bước đầu tiên để hiểu đúng quán tính.
Khối lượng và trọng lượng: hai thứ hay bị gọi lẫn
Trong đời thường, ta nói "tôi nặng 55 cân" và ai cũng hiểu. Nhưng trong vật lý, câu đó đang nói về khối lượng (55 kg), không phải trọng lượng. Trọng lượng của người đó trên mặt đất là khoảng 55 × 9,8 ≈ 540 niutơn.
| Khối lượng | Trọng lượng | |
|---|---|---|
| Là gì | Mức quán tính, lượng vật chất | Lực Trái Đất (hoặc thiên thể khác) kéo vật |
| Đơn vị SI | kilôgam (kg) | niutơn (N) |
| Trên Mặt Trăng | Không đổi | Chỉ còn khoảng 1/6 |
| Trên trạm vũ trụ | Không đổi | Vẫn còn khoảng 90% nhưng không cảm thấy vì đang rơi tự do |
| Dụng cụ đo | Cân đòn, cân so sánh, máy đo dao động | Lực kế, cân lò xo (thực chất đo lực) |
Chiếc cân điện tử trong nhà thật ra đo lực ép lên mặt cân rồi chia cho gia tốc trọng trường đã cài sẵn để hiện ra số kilôgam. Mang nó lên Mặt Trăng, nó sẽ báo bạn chỉ nặng khoảng 9 kg thay vì 55 kg — sai về khối lượng, nhưng đúng là lực ép đã giảm.
Hai loại khối lượng mà Newton không giải thích được
Khối lượng xuất hiện trong vật lý ở hai vai khác nhau:
- Khối lượng quán tính: con số m trong F = m·a, cho biết vật "lười" thay đổi vận tốc đến đâu.
- Khối lượng hấp dẫn: con số quyết định Trái Đất kéo vật mạnh đến đâu.
Không có lý do hiển nhiên nào để hai con số này phải bằng nhau. Một vật có thể "khó đẩy" mà lại bị hút yếu, như điện tích với khối lượng là hai chuyện riêng. Thế nhưng mọi phép đo từ trước tới nay đều cho thấy chúng bằng nhau. Chính vì vậy mà mọi vật rơi tự do với cùng gia tốc: vật nặng gấp đôi bị kéo mạnh gấp đôi, nhưng cũng "lười" gấp đôi.
Người ta đã đo sự bằng nhau này ngày càng chính xác:
- Newton làm thí nghiệm với con lắc đựng các chất khác nhau (gỗ, vàng, bạc, muối…) và không thấy khác biệt.
- Loránd Eötvös (Hungary) dùng cân xoắn khoảng năm 1885–1909, đạt độ chính xác cỡ một phần tỷ.
- Vệ tinh MICROSCOPE của Pháp (phóng 2016, công bố kết quả cuối năm 2022) cho hai khối titan và bạch kim–rhodi rơi tự do quanh Trái Đất, xác nhận chúng rơi như nhau tới mức khoảng một phần triệu tỷ.
Einstein lấy đúng sự trùng hợp này làm điểm xuất phát cho thuyết tương đối rộng (1915), gọi là nguyên lý tương đương. Đây là chỗ một câu hỏi tưởng như vụn vặt về quán tính dẫn tới cả một lý thuyết mới về hấp dẫn.
Cân khối lượng ngoài vũ trụ: không dùng cân thường được
Trên trạm vũ trụ, mọi vật đang cùng rơi tự do quanh Trái Đất, nên đặt người lên cân thì cân chỉ số không. Muốn biết phi hành gia tăng hay giảm cân, phải đo khối lượng quán tính trực tiếp.
- Trạm Skylab (1973) dùng một chiếc ghế gắn lò xo. Phi hành gia ngồi vào, ghế dao động qua lại; vật càng nặng thì dao động càng chậm. Đo chu kỳ dao động là suy ra khối lượng.
- Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) có thiết bị SLAMMD: lò xo kéo phi hành gia đi một đoạn ngắn, máy đo gia tốc rồi dùng đúng a = F/m để tính khối lượng.
Đó là định luật II Newton được dùng như một chiếc cân. Quán tính trở thành thứ đo được bằng tay.
Cảm nhận khối lượng quán tính ngay trên mặt đất
Có cách để "cân" bằng quán tính mà không cần trọng lực: lắc ngang. Đặt hai hộp kín giống hệt nhau, một hộp đựng sách, một hộp đựng gối, lên mặt bàn trơn. Đừng nhấc lên. Chỉ đẩy ngang thật nhanh qua lại. Hộp sách sẽ "ì" hơn hẳn, tay bạn cảm nhận được dù không phải chống lại sức nặng nào.
Ví dụ đời thường khác:
- Xe đẩy siêu thị chất đầy khó đẩy cho chạy, và lúc đã chạy thì khó dừng, kể cả trên sàn phẳng.
- Thuyền lớn trên mặt nước lặng: một người có thể đẩy cho nó trôi, nhưng rất chậm, và khi đã trôi thì phải hãm rất lâu.
- Tàu hoả hàng nghìn tấn cần quãng đường phanh tới cả cây số.
Kilôgam được định nghĩa thế nào
Từ năm 1889 tới 2019, một kilôgam được định nghĩa bằng một khối hợp kim bạch kim–iridi hình trụ đặt trong két ở Sèvres, gần Paris, gọi là Kilôgam nguyên mẫu quốc tế. Mọi quả cân chuẩn trên thế giới đều được so với nó. Vấn đề là khối nguyên mẫu và các bản sao lệch nhau dần vài chục microgam sau hơn một thế kỷ, và không ai biết chắc cái nào thay đổi.
Ngày 20 tháng 5 năm 2019, định nghĩa mới có hiệu lực: kilôgam được gắn với hằng số Planck, một hằng số của tự nhiên, đo bằng một loại cân đặc biệt gọi là cân Kibble. Kể từ đó, khối lượng không còn phụ thuộc vào một vật cụ thể nằm trong két sắt nào.
Khối lượng có thay đổi khi chạy nhanh không
Nhiều sách cũ viết rằng vật chạy gần tốc độ ánh sáng thì "khối lượng tăng lên". Các nhà vật lý ngày nay thường tránh cách nói này. Họ giữ khối lượng là một con số cố định của vật (khối lượng nghỉ), và nói rằng năng lượng cùng động lượng tăng rất nhanh khi vận tốc tiến gần tốc độ ánh sáng. Kết quả cuối cùng giống nhau: vật càng chạy nhanh càng khó tăng tốc thêm, và không vật có khối lượng nào đạt tới tốc độ ánh sáng. Với xe cộ, máy bay hay tên lửa, hiệu ứng này nhỏ tới mức không đo được trong đời sống.
Góc nhìn hôm nay: đọc đúng các con số "nặng"
- Khi đọc nhãn "khối lượng tịnh 500 g" trên gói hàng, đó là khối lượng, và nó đúng ở mọi nơi.
- Khi kỹ sư nói "tải trọng 2 tấn", họ thường nói về khối lượng hàng, nhưng điều làm xe khó phanh chính là quán tính của khối lượng đó.
- Bài tập vật lý có chữ "trọng lượng" thì tính bằng niutơn, có chữ "khối lượng" thì dùng kilôgam. Lẫn hai thứ là mất điểm.
Muốn tìm hiểu tiếp, trang của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) và Văn phòng Cân đo Quốc tế (BIPM) có giải thích dễ hiểu về định nghĩa kilôgam mới; trang NASA về ISS có mô tả thiết bị đo khối lượng phi hành gia.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao nói khối lượng là thước đo quán tính?
Vì theo định luật II Newton, cùng một lực thì vật có khối lượng lớn hơn tăng tốc ít hơn. Khối lượng cho biết vật cưỡng lại sự thay đổi vận tốc mạnh đến đâu, tức là đo mức quán tính của nó.
Khối lượng và trọng lượng khác nhau thế nào?
Khối lượng đo bằng kilôgam, cho biết mức quán tính và không đổi theo nơi chốn. Trọng lượng là lực hấp dẫn kéo vật, đo bằng niutơn, và thay đổi khi lên Mặt Trăng hay ra xa Trái Đất.
Lên Mặt Trăng khối lượng có giảm không?
Không. Khối lượng giữ nguyên, chỉ trọng lượng giảm còn khoảng 1/6. Một người 60 kg vẫn có quán tính của 60 kg, khó đẩy, khó dừng như ở Trái Đất, dù nhấc lên thì nhẹ hơn nhiều.
Phi hành gia cân khối lượng trên trạm vũ trụ bằng cách nào?
Họ dùng thiết bị đo quán tính: lò xo kéo hoặc làm người dao động, máy đo gia tốc hay chu kỳ dao động rồi tính ra khối lượng theo định luật II Newton. Cân thường không dùng được vì mọi thứ đang rơi tự do.
Vì sao vật nặng và vật nhẹ rơi nhanh như nhau?
Vì khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn bằng nhau. Vật nặng bị kéo mạnh hơn nhưng cũng khó tăng tốc hơn đúng bằng tỉ lệ đó, nên trong chân không mọi vật rơi cùng gia tốc.