什么是质量?
质量在物理学中是一个极为重要的概念,但它并没有一个统一且明确的定义。要想正确理解物理定律和认识自然界的规律,搞清楚质量的概念至关重要。
通常我们将质量理解为物质的“多少”,这一点是广泛接受的。这个定义其实是有问题的。因为没有一种物理量能准确衡量物质的“多少”。我们只能通过某些物理特性来表示物体所含的物质量,比如物体的重量或体积。尽管通常用质量来描述物体的物质多少,但不能简单地将物质的性质与物质本身等同起来。质量实际上是反映物体某种特性的物理量,而非物质的数量。
在化学中,"摩尔"用来定义物质的量。根据阿伏加德罗常数(6.022 × 10²³),一个摩尔的某种粒子就是这数量的粒子。摩尔作为单位,可以用来表示物质的多少,但它并不是物质的量的单位,而是粒子数的单位。摩尔仅仅是用于计数粒子数量的工具,而不涉及物质本身的“量”这一概念。
常有人将质量定义为物体的惯性大小,这也是一种错误的理解。根据牛顿的第二定律,物体所受的合外力与物体的加速度成反比,质量似乎就是物体的惯性。狭义相对论告诉我们,当物体以高速运动时,加速度和质量并不简单地成反比。根据相对论的动力学公式,在某些情况下,质量和物体的加速度关系发生了变化,单纯用质量来表示惯性是片面的。
狭义相对论中的质能公式为:
E=
1−
mc
其中,v是物体的速度,c是光速。当物体处于静止状态时,v = 0,能量公式简化为:
=mc
这个公式通常被称为质能公式,表明物体在静止时的能量与其质量的关系。许多人把它解释为质量可以转化为能量,或者认为质量和静止能量是等价的。其实,这两种解释都有偏差。若采用自然单位制(c = 1,h = 1),质能公式可以简化为:
=m
这更直观地说明,物体的质量实际上就是它在静止状态下所具有的能量。也就是说,质量的最准确解释是:物体的质量等于物体静止时的能量。
从更基本的角度来看,运动是物质的一个基本属性,能量则是对这种运动的量化描述。质量就是物体的静能量,包括其内部的原子能、原子核能等。
广义相对论中的等效原理指出,惯性质量与引力质量是相同的。其实,这种看法有点误导。正确的解释是,惯性质量和引力质量本质上是同一个物理量,而所谓的惯性质量其实就是物体的质量,而质量的本质正是物体静止时的能量。惯性质量和引力质量的区分并没有必要。
通过对质量概念的正确理解,我们可以纠正一些常见的误解,尤其是在核反应现的“质量亏损”现象。许多人认为质量亏损意味着物质转化为能量,实际上这是误解。质量亏损仅仅是静能转化为动能的过程。理解了质量的真正含义后,我们就能对物理定律