楊習志++楊蒲英

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

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

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

慣性質量 物體慣性大小的量度。慣性質量的提出其實來源于牛頓第二定律，即，牛頓第二定律是從動力學的角度給出了質量、力和加速度的關系。物體的質量越大，說明物體抵抗運動狀態(tài)改變的本領越強。值得一提的是在牛頓第二定律當中只有加速度是有明確定義的，力和質量都沒有先前的概念，因為這個方程的出現(xiàn)才有了慣性質量一說。因此，沒有力無法定義慣性質量，而沒有慣性質量，也無法定義力?？梢姡瑧T性質量與力是不可分割的，只能先規(guī)定一個物理量的大小，然后再定義另一個物理量的大小。實際上定義質量并不那么容易，起初人們規(guī)定：4 ℃時1 dm3純水的質量為1 kg。后來，用鉑銥合金制成一個底面直徑和柱高均為39 mm的圓柱體，以它的質量為1 kg的標準，叫做國際千克原器。這兩種定義實際上是從物質的量出發(fā)而定義出來的。慣性質量的定義則稍顯復雜。實驗發(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是一個常數(shù)，與力的大小無關。此結果表明，a1∶a2之值僅由該兩物體本身的慣性所決定，與其他因素無關。若用m1及m2分別表示兩物體的慣性質量，則m2∶m1=a1∶a2。選定其中一個物體的慣性質量作為慣性質量的單位后，另一物體的慣性質量可通過實驗由上式確定。在國際單位制中，把保存在國際計量局中的國際千克原器的慣性質量作為單位，稱為“千克” 。

引力質量 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= 中體會到引力質量的性質。牛頓在給出F=m慣a和F引= 的時候似乎并沒有注意到前后兩個質量有什么不同，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引就好比是一個電荷的質量m和電荷量q，它們反映的物理含義是完全不一樣的。但我們在運用公式F引= =F向=m慣a和F引= =F重=m慣g的時候似乎并沒有發(fā)現(xiàn)它們有什么不同，而由這兩個公式可知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動必定同時落地，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，即慣性質量與引力質量是相等的。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，故他可以認為地球周圍的空間應該是彎曲的，光沿著彎曲的路線在走。推廣之，即質量對空間具有扭曲作用，于是質量和空間發(fā)生了聯(lián)系，它不再是一個孤立的東西。

動質量與靜質量 動質量與靜質量滿足關系式m=m0/ ，即運動時候的質量比靜止時候的質量m0要大。那么，自然要問這個增加的質量到底是什么。首先，我們要知道動質量與靜質量完全是相對的與參考系的選擇有關的物理量。當觀測者相對于它靜止的時候，測到的就是m0；當觀測者相對于它運動的時候，測到的就是m。因此，可以肯定的是在運動的過程中原子的數(shù)目是不變的，實際上物體并沒有任何實質上的改變。這只是一種觀測效應，與其說是物體的質量增加了，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，如果用物質的量來衡量，會發(fā)現(xiàn)物質的量不變，這樣就體現(xiàn)不出相對論效應了。其次，公式m= 中的m是什么質量呢？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發(fā)現(xiàn)無法納入，因為動量守恒方程不滿足洛倫茲變換。在無法放棄動量守恒定律的前提下，愛因斯坦將質量進行了修改才有了動、靜質量一說。這里的質量是從動力學的角度考慮的，因此，應該是指慣性質量。

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

參考文獻：

[1]張茂.對質量定義的意見[J].物理教學，1960，（4）：26.

[2]趙崢，劉文彪.廣義相對論基礎[M].北京：清華大學出版社，2010.

（欄目編輯 羅琬華）