楊習(xí)志++楊蒲英

摘 要：看似簡單的質(zhì)量其實(shí)并不簡單，本文從物質(zhì)的量、慣性質(zhì)量、引力質(zhì)量、動質(zhì)量、靜質(zhì)量、質(zhì)量守恒等多個(gè)角度對質(zhì)量問題進(jìn)行探討。實(shí)際上，質(zhì)量是一個(gè)非常復(fù)雜的概念，多種定義反映質(zhì)量有著多方面的屬性，同時(shí)它們之間又存在著必然的聯(lián)系。關(guān)鍵詞：質(zhì)量；物質(zhì)的量；慣性質(zhì)量；引力質(zhì)量；動質(zhì)量；靜質(zhì)量；質(zhì)量守恒中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）2-0043-2

質(zhì)量一詞看似耳熟能詳，但問你“質(zhì)量到底是什么”的時(shí)候，你會發(fā)現(xiàn)難以解釋清楚了?？梢姡|(zhì)量并沒有我們想象得那么簡單。初中教材中是這樣定義質(zhì)量的，即物體所含物質(zhì)的多少叫質(zhì)量，這樣的定義其實(shí)指的是物質(zhì)的量；高中物理教材又把質(zhì)量定義為物體慣性大小的量度；到了大學(xué)又出現(xiàn)了質(zhì)量的新名詞叫引力質(zhì)量；隨著狹義相對論的出現(xiàn)又有了動質(zhì)量和靜質(zhì)量之分；廣義相對論出現(xiàn)后質(zhì)量又與時(shí)空聯(lián)系在了一起。那么，到底什么是質(zhì)量？這些提及的質(zhì)量之間有什么聯(lián)系呢？通過質(zhì)量的不同定義我們發(fā)現(xiàn)質(zhì)量本身就是一個(gè)很復(fù)雜的概念，它有著多方面的屬性，以上的每一種質(zhì)量的定義反映的就是質(zhì)量在某一方面的屬性，他們各有其用途和優(yōu)缺點(diǎn)，但同時(shí)又存在著必然的聯(lián)系。

物質(zhì)的量 物體所含物質(zhì)的多少，即物體所含原子或分子數(shù)的多少。用物質(zhì)的量來衡量質(zhì)量，可以說清楚物體擁有原子或分子的數(shù)目，在熱力學(xué)上大有用途。比如，相同質(zhì)量的同種物體在升高或降低相同溫度時(shí)所吸收或釋放的熱量是一樣的。質(zhì)量相同但材料不同的物體則會不一樣，原因是他們雖然質(zhì)量相同但含有的原子、分子數(shù)并不一樣。物體在熱現(xiàn)象中用物質(zhì)的量來描述質(zhì)量會更方便一些。可是，有時(shí)候我們不得不去關(guān)心一個(gè)電子或原子的質(zhì)量到底有多大。還有，當(dāng)討論運(yùn)動質(zhì)量與靜止質(zhì)量的時(shí)候也不行。因?yàn)檫\(yùn)動質(zhì)量比靜止質(zhì)量大，而物質(zhì)的量是說不清楚的，這時(shí)就必須引入新的質(zhì)量的定義。

慣性質(zhì)量 物體慣性大小的量度。慣性質(zhì)量的提出其實(shí)來源于牛頓第二定律，即，牛頓第二定律是從動力學(xué)的角度給出了質(zhì)量、力和加速度的關(guān)系。物體的質(zhì)量越大，說明物體抵抗運(yùn)動狀態(tài)改變的本領(lǐng)越強(qiáng)。值得一提的是在牛頓第二定律當(dāng)中只有加速度是有明確定義的，力和質(zhì)量都沒有先前的概念，因?yàn)檫@個(gè)方程的出現(xiàn)才有了慣性質(zhì)量一說。因此，沒有力無法定義慣性質(zhì)量，而沒有慣性質(zhì)量，也無法定義力。可見，慣性質(zhì)量與力是不可分割的，只能先規(guī)定一個(gè)物理量的大小，然后再定義另一個(gè)物理量的大小。實(shí)際上定義質(zhì)量并不那么容易，起初人們規(guī)定：4 ℃時(shí)1 dm3純水的質(zhì)量為1 kg。后來，用鉑銥合金制成一個(gè)底面直徑和柱高均為39 mm的圓柱體，以它的質(zhì)量為1 kg的標(biāo)準(zhǔn)，叫做國際千克原器。這兩種定義實(shí)際上是從物質(zhì)的量出發(fā)而定義出來的。慣性質(zhì)量的定義則稍顯復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在慣性系中，若在兩不同物體上施加相同的力，則兩物體加速度之比a1∶a2是一個(gè)常數(shù)，與力的大小無關(guān)。此結(jié)果表明，a1∶a2之值僅由該兩物體本身的慣性所決定，與其他因素?zé)o關(guān)。若用m1及m2分別表示兩物體的慣性質(zhì)量，則m2∶m1=a1∶a2。選定其中一個(gè)物體的慣性質(zhì)量作為慣性質(zhì)量的單位后，另一物體的慣性質(zhì)量可通過實(shí)驗(yàn)由上式確定。在國際單位制中，把保存在國際計(jì)量局中的國際千克原器的慣性質(zhì)量作為單位，稱為“千克” 。

引力質(zhì)量 物體對放在其周圍的其它物體產(chǎn)生吸引作用大小的量度。引力質(zhì)量的大小可類比于電荷的電荷量，也可以從公式F引= 和F庫= 中體會到引力質(zhì)量的性質(zhì)。牛頓在給出F=m慣a和F引= 的時(shí)候似乎并沒有注意到前后兩個(gè)質(zhì)量有什么不同，或許是已經(jīng)注意到了但并沒有發(fā)現(xiàn)它們之間的聯(lián)系。因此，并沒有指出它們的不同。m慣和m引就好比是一個(gè)電荷的質(zhì)量m和電荷量q，它們反映的物理含義是完全不一樣的。但我們在運(yùn)用公式F引= =F向=m慣a和F引= =F重=m慣g的時(shí)候似乎并沒有發(fā)現(xiàn)它們有什么不同，而由這兩個(gè)公式可知m慣和m引必然存在著某種聯(lián)系，它們物理含義不同但數(shù)值可能相同。

愛因斯坦從伽利略的自由落體定律里面察覺到了它們的關(guān)系，根據(jù)自由落體定律，所有的物體在同一高度處做自由落體運(yùn)動必定同時(shí)落地，也可以說它們的加速度是一樣的。

根據(jù)F引= =F重=m慣g，

可知g= = ，

即 = =k。

若令k=1，則有m慣=m引，即慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量是相等的。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了m慣和m引的不同，又發(fā)現(xiàn)了m慣和m引的相同，于是，發(fā)現(xiàn)了廣義相對論的巨大秘密，引力效果與加速效果一樣。即，一個(gè)站在加速上升的電梯中的人感受到的“引力”與在地球上因地球吸引而產(chǎn)生的引力的效果是一樣的。這樣一來，一束光一旦從垂直于電梯的方向通過，由于電梯在向上做加速運(yùn)動，人將會看到光走的是彎曲的路線。由于人無法區(qū)分他此刻是處于以g加速的電梯中還是處于靜止在地球表面的電梯中，故他可以認(rèn)為地球周圍的空間應(yīng)該是彎曲的，光沿著彎曲的路線在走。推廣之，即質(zhì)量對空間具有扭曲作用，于是質(zhì)量和空間發(fā)生了聯(lián)系，它不再是一個(gè)孤立的東西。

動質(zhì)量與靜質(zhì)量 動質(zhì)量與靜質(zhì)量滿足關(guān)系式m=m0/ ，即運(yùn)動時(shí)候的質(zhì)量比靜止時(shí)候的質(zhì)量m0要大。那么，自然要問這個(gè)增加的質(zhì)量到底是什么。首先，我們要知道動質(zhì)量與靜質(zhì)量完全是相對的與參考系的選擇有關(guān)的物理量。當(dāng)觀測者相對于它靜止的時(shí)候，測到的就是m0；當(dāng)觀測者相對于它運(yùn)動的時(shí)候，測到的就是m。因此，可以肯定的是在運(yùn)動的過程中原子的數(shù)目是不變的，實(shí)際上物體并沒有任何實(shí)質(zhì)上的改變。這只是一種觀測效應(yīng)，與其說是物體的質(zhì)量增加了，不如說是物體需要的力增加了，即加速度不再按照a= 的規(guī)律變化了。然而，如果用物質(zhì)的量來衡量，會發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的量不變，這樣就體現(xiàn)不出相對論效應(yīng)了。其次，公式m= 中的m是什么質(zhì)量呢？這必須得搞清楚它是怎么來的。愛因斯坦在將動量守恒定律納入相對論時(shí)發(fā)現(xiàn)無法納入，因?yàn)閯恿渴睾惴匠滩粷M足洛倫茲變換。在無法放棄動量守恒定律的前提下，愛因斯坦將質(zhì)量進(jìn)行了修改才有了動、靜質(zhì)量一說。這里的質(zhì)量是從動力學(xué)的角度考慮的，因此，應(yīng)該是指慣性質(zhì)量。

質(zhì)量守恒 質(zhì)能方程E=mc2中的m是指什么質(zhì)量呢？我們首先來看質(zhì)能方程的另一個(gè)表達(dá)式Ek=mc2-m0c2， 公式表明：它們指的是動質(zhì)量和靜質(zhì)量，當(dāng)然也可以理解成慣性質(zhì)量。其次，ΔE=Δmc2中體現(xiàn)了質(zhì)量虧損，那質(zhì)量是不是不守恒了？當(dāng)然不是，在核反應(yīng)中靜止質(zhì)量確實(shí)消失了一部分，但它轉(zhuǎn)化成了質(zhì)量的另一種形式——動質(zhì)量，正是因?yàn)殪o質(zhì)量消失了一部分，總的質(zhì)量才是守恒的，因?yàn)閯淤|(zhì)量增加了。值得一提的是：在這個(gè)過程中質(zhì)量并沒有轉(zhuǎn)化為能量，動質(zhì)量的增加是因?yàn)楹朔磻?yīng)過程中將核子間的核能釋放了出來，導(dǎo)致原本靜止的質(zhì)量獲得了動能，即能量來源于核子間的結(jié)合能，并非質(zhì)量轉(zhuǎn)化而來。

參考文獻(xiàn)：

[1]張茂.對質(zhì)量定義的意見[J].物理教學(xué)，1960，（4）：26.

[2]趙崢，劉文彪.廣義相對論基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

（欄目編輯 羅琬華）