物理质量概念的定义

                                                   ——告别20世纪

志勰

简介:本文主要讨论质量定义在物理研究的扩展过程中的合理性问题。现有物理学中质量的概念定义依赖于力学属性,忽略掉了物体的存在属性。提出了在存在属性基础上的质量。基础性的重要的思考的系列文章之一。


一、引言

    物理是研究物质运动变化原理的一门学科,在物质的运动变化规律中,力学系统是判定物质运动变化最基本的系统,它的合理性与否,直接决定这个系统是否具有可操作的性质以及这个系统应用的范围。

    在力学系统中,最基本的结构关系是由牛顿三定律所决定的。牛顿第一运动定律定义了惯性,它是物体所存在的固有属性。对于物体这种属性在物质运动变化过程中所反映出的量,我们通常采用质量来描述,即:质量是量度物体包含物质多少的物理量①。

    现在的物理所发展的领域已经远远超出牛顿力学的范围,同样的,物体在运动学中表现出来的属性也已经远远不是简单的牛顿三定律可以合理解决的问题。本文主要讨论质量定义在物理研究的扩展过程中的合理性问题。

二、质量的定义途径

   1、经典的定义

   采用牛顿第一运动定律所赋予的物体惯性是物体本身固有的属性,其实质在于给所有的物质建立一种定量的标准。我们知道一千克棉花和一千克铁在体积和质料上是完全不同的。根据运动学或者引力场中所反映出的量的属性给与定量。在运动学中通过牛顿第二运动定律的途径提供了定量的依据,我们通常把它叫做惯性质量。而在引力场中通过引力场对物体所施加的作用力同物体的质量成正比的途径提供了定量的依据,我们通常把它叫做引力质量。两种途径都是采用物体所受到的作用力同质量成正比。

   2、两种途径所定义质量的内涵

   从两种定义途径所定义的质量的形式来看,质量的定义定义了物体本身固有的惯性所反映的量同作用力的关系。然而,在物理上同时还定义了另一种含义,即物体的质与量之间的数量关系,这个关系也来自于质与量的哲学观念。也就是物体包含物质多少。作为物理单位的质量这种意义更重一些,当然,在人们日常生活中的应用过程中,也是这种物理上的定义。人们所购买的东西也是所指的这种质、量的数量关系。

   3、质量的定义在物理中应用所引起的分歧

   在19世纪以前,物理学中对物体本身固有的惯性所反映的量同作用力的关系、质量是量度物体包含物质多少两种含义是不用区分的,两种含义都是等效的。但在19世纪相对论诞生后就打破这两种含义等效。物体包含物质多少就变成具有非常争议的概念了。

   这种争议的分歧来自于质量的哲学观念。

   物体本身固有的惯性所反映的量同作用力的关系,只要具有这样特征的关系,那么质量的含义就可以看作不变的,依据这种定义,相对论系统无疑是满足这样的条件的。

   质量观念的这种相同来自于力学系统的单纯的数量形式的相同。

   物体包含物质多少,质与量之间的关系无疑不能满足相对论系统。在物体的高速状态和物体的低速状态,物体的质是不同的。接近光速状态的一个电子,其质量等于数倍的低速状态电子的质量。而它们都是一个电子。而在经典(牛顿)力学中,这样的质量定义永远不会出现,也不具有任何的可类比性。不论是铁原子中的一个电子还是棉花中的一个电子,它们都具有相同的质量。

   质量观念的这种不同来自于力学系统的数量关系中质的不同。

三、质量定义面临的困难

   对质量进行定义的形式是力学的形式,满足单纯的数与量的形式则不能满足质与量之间的关系,不仅仅是相对论。为了回避光速极限而建立的相对论系统,虽然可以很好的解决经典的牛顿力学对物质运动模式的普适性,但是,却无法回避力学基本定义系统中的质与量之间的矛盾。物理最基本概念的定义和力学的形式则会进入到两难的局面。要么维护力学的形式,变异物理基本概念的内涵,要么维护物理基本概念的内涵,改变力学的关系。

   从方法论上来看,解决牛顿力学在光速极限问题上所采用的方法,相对论无疑是非常保守的。除了保持牛顿运动定律在物理上的绝对权威性之外,似乎还不能找出其它的理由。物理学的发展历史已经认可了牛顿力学的定量模式,在牛顿力学和电磁理论光速的矛盾上,显然20世纪的物理学家没有这个勇气改变物质与运动之间的关系,甚至通过改变标准的参照定量系统来满足牛顿第二运动定律。可见,在传统的物理观念中,物质的运动与变化之间的关系,是多么的根深蒂固!也包括相对论。

   我们不能说哪一种定义的标准是真理,而只能采用哪一种定义的标准对于描述物质的运动变化更为合理!从方法论上我们不能找到真理的标准,对所有物质运动变化的描述,只在于哪一种描述更为合理,更符合作为物质运动变化的描述系统。方法上的选择不仅需要物理的逻辑,还需要方法上的选择。

    给一个单位质量的物体,施加一个单位的作用力,这个单位质量的物体获得一个单位的加速度。这个牛顿第二运动定律所制定的物质的运动与变化之间的默认规范,和物质存在属性的本身以及标准的定量系统,那一个更为重要呢?我想这是交给21世纪人们进行选择的一个科学方法问题。我们需要面对这个难题!

四、质量的定义方法

   质量是力的对象的主体,跳出牛顿力学所定义的质量的范围,这是物理发展到微观世界的现阶段所需要考虑的问题,不仅仅是相对论为了满足牛顿力学的适用性所可以涵盖的,还可能包括很多未知的现象,或者我们曾给与的表象的解释。比如原子核反应中的质量亏损采用质能守恒来解释。

   对于物质世界,物体总是以特定的质的形式而存在,我们所建立的质量的概念就是为了给物体的存在给于定量。物体含有质的量的多少应该是物体质的存在属性,而不是物体的受力过程中所反映出来的属性。即牛顿第一运动定律所反映出来的惯性属性必须满足牛顿第二运动定律所表达的适用于所有运动的力学形式。当然,在牛顿力学对物体运动变化的描述上,仍然要遵守牛顿第二运动定律的规则,这是由历史的学科所决定。也是建立在宏观物体运动基础上的经验来决定。

   质量不但是物体存在形式的,质的量的单位;也是物体存在的,量的质的形式。消除掉质与量之间的形式,那么就只剩下数与量之间的形式。对于物理的基础定义系统,则造成这种漏洞和缺陷。

    我认为,保留质量物质属性的物理定义模式对于物理而言是非常重要的,质量作为物质运动变化的客体是物理描述形式所描述的对象,对物质的运动变化描述所采用的手段和方法则应该归入到工具的行列。物质的存在属性是第一性的,是我们需要首先确定的属性,也是作为物理系统基本概念最基本的。对于物质存在属性状态描述的两种量——时间和空间,它们依赖于物质存在属性的定义。

五、质量及相关关联量的定义

    脱离开物体质量的力学属性,那么如何对质量进行定义呢?

    采用物体运动变化的力学属性来定义质量,不能反映物体存在的质的量的属性。那么,只能从物体的存在上来定义物体的质量了。作为对物体含有物质多少的单位质量,应选用物体存在的一个微小单元物体来作为一个标准的质量单位。这种质量的定义模式和原子领域原子量的单位有点相类似的。但不同的是原子量是一种关于原子质量的相对量。我个人认为采用电子作为微小的质量单元是比较方便的。用这个标准的微小单元的质量去度量其它的基本粒子乃至常规的质量单位。

    这样定义的结果和传统的对质量的定义模式存在着本质的不同,这种不同在于它是采用电子的存在属性来定义的,它不依赖于力学属性。它只表示一个电子的物质所具有的质量为一个电子质量单元。用这个电子质量单元去组建标准的质量单位。

    描述物体状态的另一个量则是空间,传统对空间长度标准单位的定义,一个是1875年的米原器,另一个则是1960年后采用原子辐射波长的原子米,现在是1983年“米使光在真空中,在1/299792458秒的时间间隔内运行距离的长度”②。这是我们所采用的米制定义。传统的米制单位制中存在这样的缺陷,米原器受制于米原器的材料的结构力学属性,要定义温度等环境力学因素。采用原子米制单位以及光在真空中运行的长度,无法建立一种绝对的长度单位,都是一种相对的长度单位。和参照系的关系会使问题复杂化。

    我建议的长度单位采用电子的直径作为一个标准的长度单元。用这个长度单元去组建标准的长度单位。这是建立在电子存在属性上的长度单位制定方法。

    它具有这样的优越性:由于电子对外作用的各向同性,因此,在任何一个惯性参照系中,电子的力学结构可以作为一个标准的球体。它不依赖于参照系统的所导致的力学属性。③

    当然采用别的基本粒子作为存在属性长度的定量单元也是可以的。

  从最微观的角度给质量进行定义,在目前实际的可操作性并不是很大。电子质量测定的精确性这一点在目前也是不能做到的。但它可以提供一种理论的意义。

六、定义存在质量的意义

    采用物体的存在来定义物体的质量,是将物体质量的质与量的存在属性关系同牛顿第一运动定律中定义的物体的惯性的力学属性及牛顿第二运动定律定义的质量的力学关系区别开来。这样可以使物体的质量脱离质量的力学定义属性。

    截止到目前,我们对物质的运动所采用的描述范式都是采用质量的力学属性,其特征是物质质量依赖于力学的属性,反映在物体的运动状态变化上,严格遵守牛顿第二运动定律的规范。不妨将这段对物质属性定性的时期叫做物质质量属性的力学时期。物理的描述系统从开始由牛顿建立这种牛顿力学范式,20世纪初被爱因斯坦的相对论进行了进一步的引申和发展。我想,把物质质量观念的力学属性时期叫做牛顿-爱因斯坦对物质属性定性的时期也是合适的。

七、结束语

    质量作为对物体所含物质多少的度量,是采用物质质量的力学属性,还是采用物质质量的存在属性,在物理科学所选择的物质属性定性方法上出现分歧。同样也会导致在描述模式上的分歧。

    我个人认为采用物质质量的存在属性作为对物质存在描述的定义系统更客观一些。也许历史会以它特定的方式进行选择!

2005.12.31

讨论


附录:

①《简明物理学词典》上海辞书出版社 徐国保 王福山主编 1987年12月第一版 p404

②《简明物理学词典》上海辞书出版社 徐国保 王福山主编 1987年12月第一版 p50

③电子的标准球体看作与参照系统无关和相对论是有冲突的。根据相对论运动参照系的沿运动方向空间长度收缩的概念,电子会成为一个椭圆球或者是一个扁圆体。但根据相对论的各个惯性参照系平权,电子对外作用各向同性,电子为标准的球体也是符合力学的判断原则。


树欲静而风不止,还是风欲静而树不止,这个恐怕是很难说的。物理的发展似乎越来越说明了这个问题。寻找大千世界的究竟,追寻清晰物理世界的映像或者认识物质世界的本身,精确和明晰大概就是物理发展的初因吧!

二十世纪物理发展进入到一个微观前所未有的领域,物不是肉眼可见之物,理也非采用三段逻辑论可以辩明的物质运动变化之理,从意识观念发展的解决问题的思维角度,似乎20世纪的西方科学理念已经和中国古老的东方哲学对易!大概是山不转水转了,东方寻求的思路却是明晰之道!

实事求是,科学需要的也许正是这样!             志勰  2005.12.25


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