物理科学探疑-网友天空-物质原理-质量是物质数量与能量相互平衡的属性
质量是物质数量与能量相互平衡的属性
赵壮志
关键词； 质量 物质 数量与能量 相互平衡
对于物理学而言，至今对于质量尚未有明确的定义。
牛顿在《自然哲学的数学原理》中，第一条定义是“物质的是是物质的度量，可由其密度和体积共同求出。”在阐述这一定义时，牛顿又说，“我在以后不论在何处提到物体或质量这一名称，指的就是这个量。”这说明牛顿把“物质的量”、“物体”和“质量”这三个词当作同义词使用。他还说过：“物质的量同物体的惯性成正比。”也说过：“密度相同的物体是指那些其惯性与其体积之比是相等的物体。”这里他又把惯性等同于质量。因此，对牛顿含混的质量概念，还需要加以提炼改造，才能形成精确的科学定义。
1876年，马赫发表了《关于质量的定义》一文，提出了用两个物体经过相互作用所获得加速度的负比值为它们的质量的反比。1876年麦克斯维又提出了利用一个确定的力先后对两个物体施加作用时所获得的加速度比值作为它们的质量的反比。设用同样的外力分别作用在质量为m1各m2物体上产生的加速度分别为a1和a2，则由牛顿第二定律得
m1/ ｍ2 =a1/a2
即在相同外力作用下，物体的质量和加速度成反比，质量大的物体产生和加速度小，难于改变其运动状态，也就是它的惯性大。因此可以说，质量是物体惯性大小的量度。这样定义出来的质量就叫做惯性质量。
牛顿在力学中引入过两个质量的概念。一个从动力学方程ｍi
F= ｍａ
引入，它反映物体的惯性，可叫做惯性质量，用 ｍi表示。另一个从万有引力定律
F=GMｍ/ ｒ2
引入，它反映物体产生和接受引力的能力，叫做引力质量，用ｍg表示。从概念上讲，惯性质量和引力质量是本质上不同的物理量，它们是在不同的实验事实基础上定义出来的，用来量度物体两种不同的性质，惯性质量量度物体惯性的大小，引力质量量度物体与其它物体相互吸引的能力。但是，如果在实验上能证明两者量值之比对一切物体都相同，那么实用上就可以把它们当作同一个量来对待。这就叫做惯性质量和引力质量的赞同性。根据牛顿第二定律，真空中自由下落物体的运动方程可写为
F=ｍiｇ
其中ｍi为该物体的惯性质量，g为重力加速度。根据万有引力定律，地球上的物体所受的引力为
F=GMｅｍg/Re2
其中ｍg为该物体的惯性质量，G为引力常数，Mｅ为地球的质量，Re为地球的半径。从上面两式得
g=F/ｍi = GMｅｍg/ Re2ｍi
近代许多高度精密的实验证实，在同一地点一切物体下落的加速度ｇ都相同，从而证明引力质量与惯性质量之比，与物体的大小、种类无关，对一切物体都相同。既然惯性质量与引力质量成正比，那么只要选择适当的单位，引力质量与惯性质量在数值上就相等。历史上，第一个明确地想检验这个等同性的是牛顿，他做了两个同形状的等长L的单摆，一个摆是金的，另一个摆锤选用等重的银、铅、玻璃、沙等不同的材料制成。单摆的周期为
T=2兀 （ｍIl/ｍgｇ）½
从这里看出，仅当引力质量与惯性质量之比与材料无关，两摆的周期才会相同，牛顿做了许多实验都没能观察到周期的差异。按照实验的精确度，牛顿的结论是
ｍg/ ｍi =1+O（10-3）
此后检验这等同性的最著名的实验是厄阜做的。他用一个很精巧的扭摆装置测量上述比值对1的可能性的偏离。从1890年起他持续做了25年的实验，实验中他用铂为基准比较了8种不同材料，都没有发现这可能的偏离。按照实验的精确度，厄阜的结论是
ｍg/ ｍi =1+O（10-8）
在上个世纪60年代，迪克等腰三角形人改进了厄阜实验，但实验原理并没有改变。他们仍观测到零结果，而且把精确度又提高了，即
ｍg/ ｍi =1+O（10-11）
总之，这些实验表明引力质量与惯性质量相等是一个观测的事实，爱因斯坦把它解释为同一本质的体现。他在1916年出版的《狭义与广义相对论的浅说》中写道：“这个重要的定律过去确实已经记载在力学中，但是并没有得到解释。我们唯有承认一个事实才能得到解释，这个事实就是物体的同一个性质按照不同的处所或者表现为‘惯性’，或表现为‘重量’。”
在爱因斯坦的相对论的质能公式中，他有这个关系式
E=ｍｃ2
把粒子的能量E和它的质量ｍ直接联系起来的结果是相对论最有意义的结论之一。一定的质量相应于一定的能量，二者数值只相差一个恒定的因子ｃ2。按相对论的概念，几个粒子在相互作用过程中，普遍的能量守恒应表示为
∑ｍi= ∑Ei=∑（ｍｃ2）= 常量
这表示质量守恒。在历史上能量守恒和质量守恒是分别发现的两个想到独立的自然规律，在相对论中二者完全统一起来了。应该指出，在科学史上，质量守恒只涉及粒子的静止质量，它只是相对论质量守恒在粒子能量变化很小时的近似。一般情况下，当涉及的能量变化比较大时，以上守恒给出的粒子的静止质量也是可以改变的。在原子核反应以及高能粒子实验中，无数事实都证明了
E=ｍｃ2式所表示的质量能量代谢关系的正确性。原子时代可以说是随同这一关系的发现而到来的。
从根本上讲，物理学研究的对象是客观物质世界，因此一切物理量都应该是物理的量。例如，微观粒子的质量、自旋、宇称、电荷、重子数、轻子数等等都是物质的量，它们分别表征了粒子的惯性和参与不同相互作用的性质，一种粒子的“物质的量”就可以认为是所有这些物理量的总称，在这个意义上，物质的量同每一种具体的物理量，是一般和个别的关系。而在另一种意义上，还存在一种不反映具体物质属性的纯粹抽象的“物质的量”，只反映了这种物质对象存在的多少。现代科学中的物质的量是指以mol为单位表示的粒子数，1mol的粒子数其测量值即阿伏加德罗常量。在使用mol时应指明结构粒子，它可以是原子、分子、离子、电子以及其它粒子，或是这些粒子的特定组合体。以
mol数来描写，撇开了一切具体的物质属性而只反映粒子数目。这样制定的一个从概念上同质量的单位kg区分开来的物理量，第一次给予物质的量以严格的、独立的意义。
因此，笔者认为，质量概念经过无数科学家的无数努力，质量是与物质的惯性和引力及能量和数量紧密联系在一起而且密不可分。更进一步，使物质产生引力质量和惯性质量的根本原因在于它存在一定的能量和数量。笔者因而认为，质量是物质能量和数量相互平衡后的属性。如果用ｍ代表物质质量，E代表物质能量，ｎ代表是以mol为单位表示的粒子数，1mol的粒子数其测量值即阿伏加德罗常量。在使用mol时应指明结构粒子，它可以是原子、分子、离子、电子以及其它粒子，或是这些粒子的特定组合体。以
mol数来描写，撇开了一切具体的物质属性而只反映粒子数目；那么用数学公式就表示为
ｍ=Eｎ
凡是学过化学的人都知道，质量等于阿伏加德罗常量乘以物质分子量，因而笔者认为分子量与原子量就是等于它的能量。
这样，当我们知道质量是物质能量和数量相互平衡后的属性，就可以很好去解释元素周期律的现象。而氢元素之所以容易发生聚合反应生成氦元素，是因为与其它元素相比较，氢元素具有低能量高数量的特点,能量数量之比为1.00794mol，它为了达到数量与能量的平衡而产生聚合反应；而钚和铀之所以容易发生裂变反应，它们的能量数量之比分别为238.0289mol和239.244mol是因为它具有高能量低数量的特点，它为了达到数量与能量的平衡而产生裂变反应。而重金属之所以容易导致人和动物中毒，是因为它本身就具有巨大的能量，容易影响它存在的环境的有机体。而元素的同位素之所以具有放射性，是因为它与同位素相比较具有能量和数量不平衡。
当然，知道质量是数量与能量的平衡，我们更容易解释万有引力现象和恒星现象。正因为质量本身具有能量，所以它具有万有引力！恒星之所以能吸引行星围绕它运转，是因为其巨大的能量自然可以吸引相对的高数量低能量的行星物体围绕它旋转。
爱因斯坦曾预言，光是整个物质世界最快的，这已被科学实验所证实。其实这可以从笔者的能量数量的公式所证实，由于光只有能量而没有数量，因而它自然具有速度的极限—光速。
E=ｍ/n =ｍｃ2→n=1 /ｃ2
而粒子之所以具有与光相近似的量子性，是因为它具有高能量低数量的特点。如电子的能量数量之比0.00504856mol
(能量以以原子量计),因而它几乎可以忽略.
我们已经知道,通过科学实验已证实,质量在能量巨大的环境下要发生变化，其实这可以从笔者的能量数量公式得到解释，因为质量本身就是能量与数量的乘积。当然这也同样可以解释当物质的速度接近光速时其质量会发生变化，这也是因为其外来能量使物质本身的能量发生变化从而导致其质量发生变化。
作者：赵壮志，已发表多种论文，荣获中国社会科学院人口研究所的“超凡555创见之星”，2003年11月5日应邀出席在北京大学英杰交流中心召开的中国首届“平衡论与可持续发展”的学术研讨会。
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