大学力学物理附件-质量及其起源.pptVIP

质量及其起源 1. 什么是质量？ 2. 惯性质量和引力质量是一回事吗？ 3. 质量守恒吗？ 4. 质量的起源-我们从哪里来？ 部分内容摘自： 曹则贤，质量与质量的起源物理37卷,355页(2008) 1. 什么是质量？ 质量是物体所含物质多少的量度(物理学名词 字典)。 按Newton第二定律：f = ma，“质量是把施加 在物体上的力和所引起的加速度联系起来的一 种特性。” (Halliday第六版) -没有质量的物体不知道怎样运动！ 在一般教科书中它定义为：物体运动惯性的 量度，或称惯性质量。是通过动力学测量的。 按Newton的万有引力定律：f = Gm1m2/r2, 质 量是物体引力大小的量度，称为引力质量。是 通过静力学测量的。 按Newton的描述：质量（物质的量）为物质 的密度乘上其体积。 这个说法看上去也许太简单了，但其实大有 深意： (1) 它指明物质在量上的区别在于其致密度 (density）； (2) 物质的量是体积那样的广延量，即质量具 有可加性。 质量相加性在一些文献(如诺奖得主Wilczek) 中，被誉为牛顿第零定律。 以上是经典物理学对质量的描写。 Einstein用能量来描写质量-质能关系 Einstein的质能公式E = mc2可以写成： m = E/c2， 后者表示可以用能量来解释质量。 事实上Einstein一开始就知道这一点，他在 1905年的论文所用的题目是：“物体的惯性是否 依赖于其所含的能量？”，并导出了m = E/c2而非 E = mc2。 Einstein考虑的是基本物理学而非原子弹。 2. 引力质量和惯性质量-相对论等价原理 惯性质量和引力质量是一回事吗？ 当惯性质量和引力质量成正比时，我们总可 以选取它们的量度标准，使二者相等。 所以, “惯性质量与引力质量成正比”和” 惯性质量与引力质量相等”是等价的。 实验证明，任何物体的惯性质量同它的引力 质量严格地成正比。这个结论经受了300年来精 确的实验检验，精确度从牛顿时代的10-3发展到 10-5(1830年)、310-9(1922年)、1.310-11(1964年) 和10-12(1971年)。 但物体的引力质量是不是就是它的惯性质量 呢？或者说，惯性是否就是引力的源泉呢？ 当然不是。惯性是物体抵抗外力改变其机械 运动状态的本领，引力的源泉是物体产生引力 场的本领，它们是物体两种完全不同的属性。 Einstein曾以地球和石头间的引力为例，来说 明引力和惯性是两种完全不同的物理属性。他 说：“地球以重力吸引石头而对其惯性质量毫无 所知地球的召唤力与引力质量有关，而石头 所回答的运动则与惯性质量有关。” 既然惯性和引力是两种不同的属性，而它们 之间却存在严格的正比关系，是否它们是物体 同一本质在不同方面的表现呢？ 回答是肯定的。广义相对论指出，物体的惯 性和引力性质产生于同一来源。在广义相对论 中，有一些参量一方面表现为物体的惯性，另 一方面又自然而然地表现为引力场的源泉。 因此，目前普遍认为：物体的惯性和引力性 质来源于物体的同一本质。爱因斯坦就曾把这 两种质量的等同作为他建立广义相对论的出发 点。 3. 质量守恒吗？ 经典力学里关于运动的第零定律是质量守恒 ! (由于它过于基本所以牛顿没有明确指出!) 物体的质量被认为是独立于它的速度和任何 施加于它的外力的，总质量既不产生也不消灭 ，只是在物体相互作用的时候重新分配! (如今我们知道这种说法并不十分正确!) 质量守恒的想法在近代物理中是错误的。量 子色动力学的一大成就就是用质量严格为零的胶 子和质量非常小的上夸克u、下夸克d构建了在一 般物质中占质量99%的质子(uud)和中子(udd)。 4. 质量的起源-我们从哪里来? 物质的质量来自原子，原子质量主要来自核 子（质子和中子），核子由夸克和胶子组成。 而由夸克组成的基本粒子可以有不同的质量。 为什么基本粒子会有各自不同的质量呢？ 根据粒子物理的标准模型，空间被一个“Higgs 场”所充满，粒子通过与这个场相互作用而获得 质量。与Higgs场作用强的质量就大，反之质量 就小。这个Higgs场至少联系一个新的粒子，称 为Higgs玻色子(Higgs子)。1988年诺奖得主莱德 曼称它为“上帝粒子”。 但Higgs子的存在尚未被实验所证实。 等待LHC(大型强子对撞机)寻找到Higgs Boson LHC (large Hadron Collider)位于法国与瑞士交 界处（日内瓦附近）的欧核中心(CERN)，该中 心拥有占世界半数的粒子物理学家。CERN是每 秒钟都可能产生奇迹的地方，也是World Wide Web真正的发源处。 LHC从9年前开始建造，计划耗资39亿欧元。 主体位于地下100米深的一条周长达27公里的环 形隧道里，走完全程要花4个多小时。 它可以把二个质子束流分别加速到7TeV (71012eV)的超高能量并使之对撞，以产生新的 粒子，和模拟早期宇宙的生成。 Higgs玻色子被认为会出现在宇宙大爆炸之初 ，以后会瞬间消亡。但我们仍未在宇宙中找到它 。 LHC最近很快就会运行，寻找Higgs玻色子是 其研究目的之一。 但是要得到确切结果，可能须等待几年。因 为LHC会产生海量数据，达每年15PB(即1500万 GB)。这种规模的数据分析不能在个人电脑上运