现代物理学基础的思考之三:质量概念的发展历程

现代物理学基础的思考之三:质量概念的发展历程

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1、质量概念的发展历程第一章质量概念的提出1、经典力学中质量概念的提出以牛顿第二定律所表现出的质量称为惯性质量.定义是给概念规定界限的判断,而定律是几个概念之间彼此的本质联系,它所反映的是客观规律•牛顿笫二定律正是这样的客观规律,它所反映的是力、质量和加速度这三者之间的本质联系.实际上,人们所以能总结出牛顿第二定律,就是因为人们预先就对力、质量和加速度这三个物理量的概念和测量方法已经有所掌握,然后才能通过实验找出它们Z间的内在联系.也就是说,质量的概念及测量方法并非來源于第二定律,而是先于这个定律.第二定律建立过程的历史事实正是如此,早在牛顿第二定律建立之前,人们(包括牛顿)己经用

2、“物质之量”给质量下了定义,并已凭经验知道了通过比较重量来量度质量的方法.牛顿在其著作中说:“物质的量是质的量度,可由其密度与体积求出然而,质量没有定义之前乂那来的密度?显然,牛顿这个定义等于没有说.“物质的量”往往是指物质多少或物质数暈一类的东西,由相对性原理的制约,物质多少这样一个概念本身无法再进一步给以定义,物质的概念被认为是不说自明的••正是这个原因,在牛顿力学中寻找不到“物质的量”与惯性质量之间的任何联系,使得“物体所含物质越多,物体惯性越大”这条经验定律i直游离于物理学之外•也正是这个原因,物理学上的质量除了牛顿定律所赋予它的意义外不再有别的意思,质量乃是阻挠速度变

3、化的量度.这乂要回到用定律来定义质量上来,让人很不满意.2、横向质量与纵向质量问题约瑟夫・汤姆孙在1881年承认一个带电的物体比一个没有带电的物体更难加速,因此静电能量表现成某种电磁质量,增加了物体的机械质量•之后威廉•维恩(1900)和MaxAbraham(1902)认为一个物体的总共质量与它的电磁质量相同.因为电磁质量取决于电磁能量,维恩所提出的质能关系是皿=(4砂启.GeorgeFrederickCharlesSearle和汤姆孙也指出,电磁质量随着物体的速度而增加.亨德里克•洛伦兹在他的洛伦兹以太理论的框架中承认这个说法•他将质量定义成所用力与3加速度的比值而不是动量与

4、速度的比值,因此他必须区分横向质量(当物体运动的方向与加速度相同或相反)和纵向质量(W阿)(当物体运动的方向与加速度垂直).只有当加速度与物体运动的方向垂直时,洛伦兹的质量才会等于现在被称作相对论性质量的质量.7=1/*1-・眾2/毋是洛伦兹因子,v是物体与以太的相对速度,(是光速).因此,根据这一理论没有物体可以到达光速,因为物体的质量将趋于无限大•而对于一个具有非零静质量的粒子在X方向运动时所受到的作用力和加速度的准确表达是:fx="7扎=卯曲知,人=知即吐・爱因斯坦在他1905年的论文中计算了横向质量和纵向质量,在他第一篇关于E=TYlS的论文中(1905),m所代表的是

5、现在认为的静质量.在狭义相对论中,就像洛伦兹以太理论,一个静质量非零的物体无法以光速运动•当物体趋近于光速时,它的能量和动量将无限制的增加.横向质量和纵向质量被相对论性质量的概念取代.RichardC.Tolman在1912年表示m0(l-v2/c2)-l/2最适合用来表示运动物体的质量._E在1934年,Tolman也定义相对论性质量为:这一定义对于所有粒子都适用,包括了以光速运动的粒子.对于以低于光速运动的粒子,即具有非零的静质量的粒子,这方程变成时=勺阳,当相对速度为零吋,今将等于1.当相对速度趋近光速时,刁将趋近无限大.在动量的方程中卩=耐&,m所代表的质量是相对论性质

6、量牛顿第二定律以'—d£,的形式表达仍然正确.但莎'并不是零,因为相对论性质量是速率的函数,因此牛顿第二定律不能以f=?介住来表示.2.引力场中的惯性质量与引力质量的数量关系物理学上关于质量的概念很多,有静止质量、惯性质量、引力质量、电磁质量,这些概念都是为了解释各自领域的现象而引入的.惯性质量是通过动力学测量的引力质量是通过静力学测量的F=GMm/R所谓惯性质量和引力质量最初是由牛顿在自然哲学的数学原理的文章中引入的,其中惯性质量的真正含义是:当物体在相互作用时,反映物体运动状态改变难易程度的一个物理量;引力质量则是反映物体产生引力场大小的一个物理量;任何物体都具有吸引其他

7、物体的性质,引力屈性是物体这种性质的量度.选定两质点A和B,先后测量它们各自与质点C的引力F(AC)和F(BC).实验发现,只要距离AC和BC相等,则不论这距离的大小如何,也不论质点C是什么物体,力F(AC)和F(BC)的比值F(AC)/F(BC)是一个常数.该结果表明,F(AC)/F(BC)之值仅由质点A和B本身的性质决定,这个性质体现为引力属性.物理学中规定A、B两质点引力属性之比等于力F(AC)与F(BC)之比•若用Sa及Sb分别表示A、B两质点的引力属性,则Sa/Sb二F(AC)/F

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