深入分析物体的质量、重量和相

深入分析物体的质量、重量和相 深入分析物体的质量、重量和相 2011年05月25日 深入分析物体的质量、重量和相对论质量之间的关系 马海飞 (年5月25日) 众所周知，质量为1克的纯水中所含的水分子数目是一定的。它与水的实际存在状态无关。也就是说，无论这1克水的温度是4摄氏度还是100摄氏度，无论它是处于液态，还是处于结冰或水蒸气状态，无论它是在地球表面还是在太空站里，无论它称量出来的实际重量是多少，无论它是静止的还是运动的，它所含的水分子数目是不会因为这些状态和因素的改变而增加或减少的。也就是说，物质在任何情况下都不可能凭空产生和消失。分子数目就是物质质量的决定性因素。而分子量基本上都是稳定的，至少都是不可凭空产生和消失的。一旦分子数目被决定之后，任何物体(质量体)的质量就被决定了。只要不改变物体自身内部所含有的分子数目，任何物质形态和状态的改变都不能让一个物体的质量发生改变。这已经是一个很确切的定论。 科学发展到今天，物体的质量与重量之间的关系已经非常明确，不再存有争议。决定相同物质质量的因素只有一个，就是构成物体自身的分子数目。而重量的决定因素除了物体自身的质量(构成物体的分子数目)之外，它所处的环境(重力大小)和自身的临时状态(温度和固、液、气等)也都是重量的决定因素。同一个物体在地球表面不同的高度上的重量不同，但质量不变。 在关于“质量”、“重量”和“相对论质量”之间的关系中，主要的问题是如何理解“相对论质量”。其实，相信相对论质量的人也不得不承认物体在高速运动的过程中并不能使物体内部分子数目增加或使分子量增加。因此，为了自圆其说，相对论把“由分子数目决定的物体质量”叫做“静质量”，把“运动过程中的物体质量”叫做“动质量”，也就是“相对论质量”。可是，如果没有分子数量的改变，就很难让人理解“物体运动可以增加物体质量(相 对论质量)”的过程是如何实现的。时至今日，这还是一个任何人都无法解释清楚的问题。即使有些人对相对论质量有所解释，但是那些解释依旧让人感到似是而非、模棱两可。然而，科学不是哲学，科学是不允许模棱两可和似是而非的。任何科学观点，无论是对是错都必须首先应该是明确的，让别人能都理解的。然而，关于“相对论质量”的理论以及“相对论”本身的大部分观点和解释都缺乏鲜明性。这些理论就像中国古人的文言文一样让今天不同的人可以 按照自己的理解做出不同的解读。这显然是违背科学原则的。 “相对论质量”涉及到一个重大的物理学问题，这就是爱因斯坦所推论出来的著名的“质量与能量的关系”。爱因斯坦认为，当人们用能量对任何物体进行加速时，无论是粒子还是宇宙飞船，在加速过程中它的质量增加，使得对它进一步加速更加困难。这个理论是对牛顿的F=ma理论的否定。按照牛顿的F=ma理论，如果对一个质量为m的物体施加一个固定的恒力F，那么这个物体就会永远以加速度a的形式加速运动，最后该物体的运动速度可以达到无限大。因为爱因斯坦把光速定为宇宙的最高速度，所以，物体的运动速度应该是有限的，而不可能是无限的。因此，在爱因斯坦的眼里，牛顿的F=ma理论应该是错误的。那么是什么因素让物体的运动速度无法实现无限大呢,爱因斯坦通过数学(而不是物理学)发现，如果物体在运动的过程中发生质量的变化就可以解释这个问题。物体运动速度越快，质量增加越大，在不改变受力大小的情况下随着质量的增加物体运动的加速度就会减小。当物体的运动速度增加到光速水平时，该物体无论再受到多么大的外力也无法产生任何加速度了。这时物体的相对论质量为无限大。或者倒过来说，要想让一个物体的运动速度达到光速，就必须用无限大的能量来推动它。这种解释似乎有合理之处。但它实际上并没有脱离F=ma的理论。唯一不同的是它把该式中的m从牛顿的恒量变成了随着速度增加而增加的变量。可是，这个改变非同小可，它是在挑战传统的静态“质量”概念。同时也提出了一个动态的“相对论质量”的新概念。从这个新概念提出的那一刻起，“质量”的概念就开始进入混乱之中了。这个混乱之所以能够产生和持续至今的原因可能主要有以下几个:第一，牛顿的F=ma理论具有正确性。在一般情况下的力学计算中它没有任何问题。第二、牛顿的F=ma理论中也的确存在无法解释的问题。让一个物体永远不停地加速到最后达到运动速度无限大这样的结论从哲学上就是不通的。第三，在爱因斯坦提出了关于相对论质量的质能关系理论之后，现代科学的实验结果确实已经证明了粒 子不可能无限加速。这些结果支持了“速度越快质量越大”的观点。第四，对粒子不能无限加速实验结果没有其他合理的解释。第五，上述第二、三和四这三点导致人们不得不接受相对论质量的概念。第六，变化的“相对论质量”与物质内部的分子数目和分子量不能随着物质状态的不同而凭空产生或消失的现实矛盾。第七、相对论质量违背物质不灭定律。在以上七点之间就存在不可解的自相矛盾。例如，F=ma理论既有正确的一面又有不合理的一面。实验虽然支持相对论质量，可是相对论质量却违背基本的物理学定律和现实。显然，相对论质量就成了一个既有道理又违背科学定律的混乱概念。这个混乱局面不清除，物理学研究的发展就不会顺利进行下去。所以，揭开相对论质量的真相具有非常重要的物理学意义。 实际上，如果我们把重量与相对论质量并排放在一起，就不难看出，其实它们之间具有本质的联系。首先我们知道，质量是无环境和状态条件的。质量不会随着环境和自身的状态的变化而变化。而重量是有条件的，是随着环境与状态的变化而变化的。同一个物体在宇宙中的不同位置上的重量不同。同一个物体自身状态上的变化也会让它的重量不同。这些现象人人都能理解。然而，人们在研究相对论质量的时候却忽略了一个很重要的问题，那就是“运动也是一种物体的存在状态”。既然改变物体的状态就能够让它的重量发生变化，为什么改变物体的运动状态就不能产生类似的作用呢,很明显，在以往有关决定重量的因素中，人们忽略了物体运动状态的问题。其实，在爱因斯坦的相对论质量中所加入的就是这个因素。只不过没有人意识到罢了。相对论质量与重量之间的一个共同特征就是它们都取决于物体所处的某种特定状态。在进入这些状态之前，质量与重量和相对论质量在数值上都是相同的。当物体按照改变重量的特征改变物体的存在状态后(例如改变在地球表面的位置高度)，重量就与质量在数值上出现了不同。当物体按照改变相对论质量的方式改变物体的存在状态后(例如改变物体的运动速度)，相对论质量与物体质量之间就出现了数值上的不同。然而，当这些状态解除后，让物体回到原始状态，物体的重量和相对论质量又回到了物体质量的数值上。绝对不会有把1克黄金送到宇宙中高速转一圈回来就变成2克的事情发生。 这样我们就可以非常容易理解质量、重量与相对论质量之间的关系了:1克水中所含的分子数目决定了这1克水的质量。对这同1克水而言，它在地球表面和月球表面的重量不同。重量的不同并没有改变它的质量(水分子数 目)。对这同1克水而言，它在静止与运动状态下的“相对论质量”也不同。但相对论质量的不同也没有改变它的水分子数目(质量)。这说明了什么,“相对论质量”中的“质量”根本就不具备质量的概念，而是一种与“重量”类似的东西，是一种随着物体自身的状态发生变化而变化的东西。如果我们认为把“重量”叫做“质量”是错误的话，那么就不难理解，把“相对论质量”叫做“质量”也同样是错误的。所以，把用“相对论质量”这个概念来描述这种现象是非常不恰当的。人们之所以把它叫成“相对论质量”，我想有两个原因:第一，还没有跳出F=ma的理论。人们试图用相对论质量来取代F=ma中的m。所以把它视为一种“质量”，但是因为它与F=ma中的质量不一样，一个是恒量，一个是变量，所以就只好制造出一个“相对论质量”的概念。第二，不清楚相对论质量与重量和静质量之间的本质联系。缺乏物理学理论来解释为什么物体不能无限加速的真正原因，对相对论质量的本质是什么不清楚，所以无 法正确定义它。结果就错误地把它定义成了一种“质量”。 那么到底质量、重量和相对论质量之间存在很么样的本质联系呢,如果我们使用最新发现的质量场就可以非常容易地解释所有问题了。如下图所示，每一个物体都具有质量和质量场这两个物质的基本自然属性。 图1、质量体(物体)质量与质量场关系的示意图。阴影部分表示质量体的质量。环形线表示质量场密度层。M和m都代表质量。v表示质量体质心的运动速度，箭头表示运动方向和运动速度的大小(v2>v1)。 当物体处于静止状态时(如图1a所示)，质量场密度层以标准球面的形状包围着质量体。我们可以把这个物体想象成地球。质量场密度的计算为D=M/4πr2。r是从质量场到达质心的距离。任何物体在这个质量场中的重量 都是由改物体的质量和重力加速度决定的，而重力加速度是由质量场密度决定的。在质量场中的重力加速度为g=GmD。这就是为什么同样质量的物体在地球的不同高度上的重量不同的主要原因。当物体处于运动状态时，物体的质心就会与自身的质量场之间产生一个偏离。物体的运动速度越慢，质心偏离程度越小(如图1b所示)，运动速度越快就会出现越大的偏离(如图1c所示)。这种偏离导致的结果非常类似多普勒效应。从图中就可以直观看出，质量场在物体运动的前方出现“压缩”现象。这种压缩很像是弹簧的压缩过程。在起初物体运动速度比较慢的时候，改变质量场密度分布所需要的额外外力不明显。所以牛顿的F=ma计算公式在近似范围内适用。但是，当随着物体加速运动的持续，质量场密度就会在物体运动的前方不断压缩，也就是说导致质量场的密度不断增大。物体加速运动的过程就是质量场密度层受到压缩的过程。因此，如果不增加外力，当质量场密度被压缩到一定程度后物体的运动速度就不再增加了。同样道理，质量场密度越大，为了保持同一个加速度所需要的推动力就越大。这时，牛顿的F=ma计算公式就失效了。从表面上看，运动物体就会显得越“沉重”。这与同样物体在地球和月球上的重量不同是一样的道理。这并不是物体内部物质含量(分子数目)的变化，而是物质属性之一的质量场密度发生的变化所导致的。因此，把这种现象描述为“速度导致质量的变化”完全是一种误解。 使用质量场密度来解释相对论质量问题既简单又明了。而且不存在自相矛盾的问题。它从本质上把物质的质量、重量以及“相对论质量”统一了起来。这样一来，我们就可以非常清楚地了解质量、重量与相对论质量之间的物理学关系了。质量是由物质内部的分子数目多少决定的。重量主要是由静止状态下的不同质量场密度环境决定的。所谓的“相对论质量”其实是由物体运动过程中导致的质量场密度变化产生的，并不是真正意义上的质量变化。所以，如果说:“当一个物体的运动速度接近光速时，其质量会趋于无穷大。”其实就等于是在说:“当一个物体处于一个质量趋于无限大的地球上时，其质量会趋于无穷大”。这显然是错误的。趋于无穷大的是“重量”而不是“质量”。质量在任何时候都是不会随着物体的环境和存在状态的改变而改变的。 按照相对论的思路，我们完全也可以把重量叫做“相对(论)质量”。因为质量单位的定义本来就是来自重量。最初人们把1公升4摄氏度纯水的重量定义为1千克质量单位。但是，如果我们把实际上的1公升4摄氏度纯水放 在地球表面和月球表面称重量的话就会发现，在月球表面的重量只有166.7克，而不是1千克。这样，我们完全可以按照相对论的方法来说:1公升4摄氏度纯水的“地球相对质量”是1千克，它的“月球相对质量”是166.7克。如果我们套用相对论中“物体运动速度的改变可以导致物体质量的改变”这句话，我们就同样可以说:“物体所在天体的改变可以导致物体质量的改变”。当然这里说的“质量”是“相对质量”而不是“静质量”。使用这个“相对质量”的概念在数学运算上不会有问题，但却会在理论上造成极大的混乱。因此，科学决不会采用这种“相对质量”的概念。同样道理，既然我们现在已经了解了“相对论质量”的产生原因和过程，知道了它在本质上与重量是相同的，那么我们也就应该立刻放弃使用“相对论质量”这个“可变质量”的概念。这个概念不但不能帮助人们正确地理解物理现象，相反，它的存在只能造成物理学理论的混乱局面。质量的概念只有一个。质量是不可能随着物体的运动而改变的。根本不存在“动质量”、“静质量”、“相对质量”和“相对论质量”等的区别。至于质能关系问题，随着相对论质量本质被揭示出来的同时也就自然化解了。在物质世界中，物质与能量之间根本就不能象相对论中所说的那样互相转换，从一个没有质量而能量无限大的奇点中爆炸出一个有质量的物质宇宙来。真正的质能关系是质量与质量场密度之间的关系。也就是质量与重力加速度之间的关系。关于这方面的详细探讨将在今后的文章中进一步论述。 本文引用地址: