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质量在物理学中究竟是什么?

2018-02-16  物理网文

 在日常生活中,人们对物体在物质量度上的把握,一般是通过物体的重力来实现的,重力被认为是物体所必有的属性,并与物体所含有的物质量度,严格地遵循正比关系。因此,在早期的哲学家和物理学家们看来,自然界中所有的不同物体,一定是由同一种具有重力属性的最小物质单元所组成的,这些相同的物质单元,以不同的组合形式,构成了千差万别的宏观物体,所以它们才会有着一致的重力性质,和各不相同的物态。最初的原子理论,就是在这样的观念基础上逐步形成的。

对于古典的原子理论来说,原子所具有的重力属性,是不可或缺的,它是解释宏观物体重力现象的唯一根据,除此之外,当时的人们并不需要给原子附加其它的具体性质。在哲学观念上,原子就是一个永恒不变的球形实体,物体所含物质在量度上的多少,就是指这种原子在数量上的多少,自从牛顿提出质量概念,建立力学第二定律,并在实践中获得广范的成功应用后,人们便不再提及原子本身所具有的重力属性,物体本身所具有的物质量度,同物体所受到的重力量度,开始被严格地区分开来。从此,原子除了是一个不变的物质实体之外,没有其它任何具体属性。

将物体的物质量度,同物体所受到的重力分开,彻底打破了人们对物体物质量度与重力不分的传统观念,并据此确定了作用力,是改变物体运动状态的因素,而不是使物体产生运动的原因,这是人类认识上的一次伟大飞跃。但是,人们对此必须要清楚,牛顿的质量概念,仍然是建立在原子与虚空并存的古典自然观基础之上的,对于原子作为恒定不变的物质实体,仍然还只是一个假设,牛顿第二定律在应用上的成功,只能说明物体所含原子的数量,同运动力的大小成正比,它对原子本身所具有的具体属性,没有任何规定。也就是说,只要这种原子处于相对稳定的情况下,无论它是高密度的物质个体、还是高密度的能量聚集体,物体的动力学效果都是相同的,即牛顿第二定律的成立,是以原子的稳定不变为前提条件的,牛顿第二定律的适用性,并不能证明原子是一个高密度的物质个体,牛顿用物体所含物质量度的多少,来定义的质量概念,未必符合物体本身的真实情形。当原子释放能量的现象被发现后,可以肯定地说,影响物体动力学行为的物理因素,不是物体所含物质在量度上的多少,而是物体本身内能的大小,原子在事实上是一个有生有灭的高密度的能量聚集体。这就是拉格朗日能量公式,为什么比牛顿第二定律公式更合理的原因。牛顿的质量概念,同物体的动力学行为,在事实上是错位的,物体的动力学行为,并不是取决于物体所含物质在量度上的多少。

在牛顿那个时代,背景知识是很缺乏的,对于宏观物体内微观情形的认识,几乎是一片空白,宏观物体内是否有牛顿想象中的原子存在,对于牛顿来说也只是一种理论推测,所以他在定义质量概念时,没有轻易地使用原子数量的多少,而是用体积和密度来规定质量的量度。在严格的理论意义上,牛顿的质量定义,不算是对物体中物质的量度所作出的定义,而仅仅是给出了与物质量度的大小,有关联的两个因素。在逻辑关系上,应当是先给出“物质”这一最基本的概念,然后所使用的“物质密度”这一概念才有意义,如果连物质具体是什么都不清楚,那么,物质密度是指什么呢?牛顿用物质密度这一概念,来反过来定义质量概念,巧妙地回避了对“物质”这一基本概念的正面回答,当人们使用他的质量概念时,其实并不清楚其中的物质,具体指的是什么。由“体积和密度”来规定的物理量,可以是多种不同的物理量,但可以明显地看出,牛顿对物体的比重同物质密度之间的正比关系,是确信无疑的,他认为此后对微观最小的“实物”粒子的揭示,会弥补他的质量定义的不足。但事实与牛顿的预料完全相反,微观原子被揭示出是以高密度的能量形式而存在的,隐藏在原子之中的真正的实物粒子,显然已经不能对牛顿的质量概念提供支持。

近代力学的发展,起步于将物体的质量同物体重力的区分,牛顿在这一方面的功绩是空前的,他使人们摆摊了有史以来对物体属性的错误认识,从此不再认为“力”是物体的固有属性。无论原子是以高密度的物质个体、还是以高密度的能量聚集体的形式而存在,对于质量概念的认识与理解,都不应当再回过头来,去依附某种具体形式的作用力,更不应该把质量概念同速度因素扯在一起,所谓的惯性质量、引力质量、动质量、和静质量等等,都是极其荒谬的。物质概念是质量概念的前提和基础,在真正的本源物质没有被认识之前,质量仍然是个未知概念。近代物理学在质量问题上,不仅没有前进,而且是在倒退。

                                                                                   ——王德春     2016年6月15日


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