在经典物理中,质量定义是最含糊一种说法。质量是物体所含物质的多少,物质是什么?根据牛顿在《自然哲学的数学原理)一书中,对物质的量下了这样的定义:“物质的量是用它的密度和体积一起来量度的.所以空气的密度加倍,体积加倍,它的量就增加到四倍;体积加到三倍,它的量就增加到六倍.因压紧或液化而凝聚起来的雪、微尘或粉末,以及由任何原因而无论怎样不同地凝聚起来的所有物体,也都可作同样的理解。我在以后不论何处称之为‘物体’或‘质量’的,就是指这个量而言。”
在牛顿力学中,人们发现两个质量:惯性质量和引力质量。这两个质量都是根据牛顿力学推到出来的,惯性质量是通过动力学测量的
F=ma,引力质量是通过静力学测量的F=GMm/RR。我们可以定义标准惯性质量,以求得某物体的惯性质量.同时我们也就定义了力的度量,但却并不能由此也求得引力质量,因为在G的测量过程中会使用到引力质量,在没有定义引力质量的度量之前,G并不能确立其值,同时M实际上也是引力质量.所以我们只能再定义标准引力质量,以求得该物体的引力质量。
如果我们稍微思考一下,惯性质量和引力质量都是在一种低速条件下,人类关注问题不一样出现。一个关注是物体改变运动一种能力,一个关注是天体之间一种吸引能力。其实从时空来看,虽然本质一样,但是时空已经发到一个大变化。、惯性质量是描物体惯性大小的量,也可以理解为物体产生惯性大小的能力。引力质量是描述物体产生万有引力大小的量,也可以理解为物体产生引力大小的能力。
有一个有趣问题,在经典力学,引力也是产生加速度原因,因此引力质量和惯性质量是统一的。当惯性质量与引力质量成正比时,我们总可以适当选取这两个标准质量,使惯性质量与引力质量相等。
后来有了爱因斯坦的相对论,质能方程方程式:E =
mc^2,从狭义相对论来看,质量和能量都是同一事物的不同表现形式。物质具有固有的能量,质量可以在一定的条件下被转化为能量,并且能量可以用来创造以前不存在的物体。
根据爱因斯坦观点,能量和物质是可以相互转化的。不如这种转化是有条件的,譬如能量转化为物质,大家都同意现在宇宙一切物质都是在宇宙大爆炸是由能量形成的。而且人类已经有了一种共识,在能量转移过程中是把能量转化成两个正反物质。这个观点人类已经在高速粒子加速器找到实验来验证。能量向物质的转变并不容易,目前人类可以在高能高能粒子加速器中实现这一目的。例如在大型粒子加速器中,可以让一个获得了足够高能量的电子和光子相撞,这样就可以制造出新的电子和光子,同时还可以制造出一对正反物质粒子。
同样的,物质要转化成能量,并不是我们常见一个物质突然消失,变成一种能量。那样话,物质尺度是如何转化成的呢?笔者有一个基本观点,正反两种物质,就是都是有相反粒子构成的,他们基本自旋和正反性刚好相反,这样刚好把几何尺度上峰谷平衡,从而只以一种光子形式向往辐射了能量。此时,物质空间体积被消灭,但是依然满足能量和质量守恒定律。也就是不管怎么发展,宇宙爆炸后总质能是守恒的。呵呵,这个观点已经超越能量守恒和质量守恒。
也就是说,物体质量只能是一种时空表现形式,当物质转化成一种能量时,时空变消失了。能量以光子形式很快充满空间,也延伸到无穷时间。其实,时间本来就是一个人为概念。如果时间存在,那么四维时空中,质能如何穿越,空间扭曲让空间分布不均匀,那么时间呢?能扭曲么?
1905年爱因斯坦发表了一篇探讨光线在狭义相对论中,重力和加速度关系,第一次引入惯性质量和引力质量概念。1912年,爱因斯坦发表了另外一篇论文,探讨如何将重力场用几何的语言来描述。至此,广义相对论的运动学出现了。到了1915年,爱因斯坦引力场方程发表了出来,整个广义相对论的动力学才终于完成。在他的广义相对论中,他第一次提出重力其实是空间一种扭曲,而物体质量于物体速度有关系,当物质速度增大时,物体质量会增加,此时物体在时空中长度会减小,时间会变慢,这在物理学上叫做尺缩效应。
尺缩效应,质量增加的变化应该相同,但结果是引力场中物体重量增加而质量没有增加,那么是质能方程正确广义相对论有错了,如果广义相对论正确那么是质能方程有错了,物体高速运动时增加的是重量而不是质量,实验证实在回旋加速器中高速运动的粒子寿命延长即时间变慢,质量增加,但为什么不能说是重量增加呢,因为质量是反映了物质的数量,而构成粒子的粒子数量没有变化,质量不应该发生变化,应该说爱因斯坦广义相对论没有错,两个氢原子结合发出能量后是重量减少,而不是质量减少。
那么当运动速度增大后,作为坐标系的时空是如何变化的呢?
假如现在有个坐标系A(x,y,z,t),这几个坐标轴上都标着刻度,旧的时空观认为不管这个坐标系如何运动,这个坐标系中的刻度间隔是不会变化的,也就是说一米的长度永远对应一米,一秒的间隔永远对应一秒,不会改变;如果说你人本身在这个参考系A中,那你观察到的结论确实是这样的。
但如果你跳出这个坐标系,比如你处在另外一个坐标系B中(B中也有和A中相同的刻度),情况就大不相同了。假设原先那个A与B相对高速运动,你比较一下两个坐标系对应的刻度,就会发现那边原先认为的一米比你这边的一米短(尺缩效应),那边的一秒比这边的一秒慢(钟慢效应),也就是说A的时空相对于B发生了一定比例的伸缩!
这种伸缩是时空本身的伸缩,也就是说尺还是那把尺,一米还是一米,都没有变化,变化的是时空本身;这个效应从另外的一个参考系看起来,就是真的尺缩和钟慢了,相对的时空伸缩在另一个参考系的描述下就是绝对的变短变慢。
这种伸缩是时空本身的伸缩,也就是说尺还是那把尺,一米还是一米,都没有变化,变化的是时空本身;这个效应从另外的一个参考系看起来,就是真的尺缩和钟慢了,相对的时空伸缩在另一个参考系的描述下就是绝对的变短变慢。
某种程度上说,质量改变其实是时空本是伸缩一种变换形式,但是质量改变中一定会伴随着能量变化,但是宇宙中质能还是守恒的。
2019年3月28日于宜昌吾同斋