第02节质能概念新分析

数理揭谜三部曲(2)：动力学之谜与美第1章低速绝对相对论PAGE44PAGE43第02节质能概念新分析人们经过长期的实践活动，在自己的头脑中逐渐地形成了“物质”的概念．于是人们就把独立于人类意识之外、而又能够被人类感知的客观存在的一切定义为物质．最初，人们通过肉眼的观察，肉手的触摸，首先认识了由分子或原子或质子、中子、电子等粒子组成的，有机械性质的，看得见、摸得着的，实实在在的一般物质，所以就把这种一般物质叫做实物质，简称为物质或物．表示物质（实物质）多少的物理量叫做物质之量，简称为物量，俗称为质量，记做m．为了突出物量或质量是表示物质多少的概念，质量又叫做物质质量．为了研究问题方便，把具有一定体态的实物质叫做物体．随着对大自然认识的深化，人们又在实践活动中感知到：电荷周围存在着电场，磁体周围存在着磁场，物体周围存在着引力场．这些事实都说明宇宙间除了存在着一般物质以外，还存在着一种非分子或原子或质子、中子、电子等粒子组成的，无机械性质的，看不见、摸不着的，虚无缥缈的特殊物质，所以就把这种特殊物质叫做虚物质，简称为场能或场．表示场能（虚物质）多少的物理量叫做场能之量，简称为场量，俗称为能量，记做e．为了突出场量或能量是表示场能多少的概念，能量又叫做场能能量．为了研究问题方便，把通过实物质表现出一定形态的虚物质叫做场形．1实物质（物质）的质量1.1体积质量和重力质量1.体积是描述物体外部形状大小的物理量；质量是描述物体内部物质多少的物理量.因此，体积和质量并非同一概念．但是体积和质量却有着紧密的联系，即对于密度相同的同种物体，体积和质量严格地成正比，如果物体的质量增加一倍，那么物体的体积就增加一倍．因此，在描述物质的多少上，体积和质量是完全相同的．于是，人们就用体积的大小来衡量物质的多少，把质量定义为体积大小的量度，从而就把体积概念和质量概念混为一谈了．为了研究问题方便，我们把这种质量概念叫做体积质量．然而，体积和质量也有着严格的区别，即对于一个确定量的物体，体积与密度严格地成反比，若密度增大一倍，则体积就缩小一半；而质量却与密度无关．因此，对于非同种物质或密度不同的同种物质，就无法用体积的大小来比较物质的多少了．这就是说，体积质量的概念是错误的．所以体积质量的概念也就随着人们实践活动的扩大而被淘汰了．但是在少数场合下，人们仍在使用体积质量．例如，人们仍以桶的容积表示石油的多少；仍以瓶的容积表示啤酒的多少．1.重力是描述物体在地球表面所受地心引力大小和方向的物理量；质量是描述物体内部物质多少的物理量．因此，重力和质量并非同一概念．但是重力和质量却有着紧密的联系，即在地球的同一地点，不论物体的密度是大是小，重力的大小——重量和质量都相当精确地成正比[不是严格地成正比，这我在我的、河北科学技术出版社1993年7月第1版的专著《动力学之谜新探索》的第260～270页中已经说明]：如果质量增加一倍，则重量就相当精确地增加一倍．因此，在描述物质的多少上，重量和质量是极为相同的．于是，人们就用重量来衡量物质的多少，把质量定义为重力大小的量度，从而就把重量概念和质量概念混为一谈了.在诸如世界四大通才之一，意大利物理学家、天文学家、数学家、科学革命先驱、近代实验科学奠基人、观测天文学之父、现代物理学之父伽利略（GalileoGalilei，公元1564.2.15～1642.1.8）；法国著名物理学家、数学家、哲学家、生理学家、解析几何的创始人笛卡儿（RenéDescartes，公元1596.3.31～1650.2.11）；世界四大通才之一，德国著名物理学家、数学家、哲学家、逻辑学家莱布尼茨（GottfriedWilhelmLeibniz，公元1646.7.1～1716.11.14）等大家的著作中，重量和质量这两个术语就可互换使用．所以，为了研究问题方便，我们把这种质量概念叫做重力质量．由于重力的大小与密度无关，所以重力质量能够描述密度不同的物质的多少，所以重力质量就取代了体积质量而被人们使用了．然而，重量和质量也有着严格的区别，即对于一个确定量的物体，重量在地球的不同纬度、不同高度和不同地质结构处并不相同；而质量却与地球的位置无关．因此，在地球的不同处，就无法用重量准确地表示物质的多少了．这就是说，重力质量的概念是错误的．所以重力质量也就随着人们对于客观世界认识的深入而被淘汰了．但是，人们实践活动的经验反复证明，在地球的任一确定地点，重量和质量仍然相当精确地成正比，只不过是在地球的不同地方，其正比系数不同而已．我们把这一事实叫做质重正比原理．尽管重力质量概念被淘汰，但是人们利用质重正比原理测量质量的方法一直沿用到今天，并且在在一些场合下，仍在使用重力质量．例如，在农贸市场上，仍有大量摊贩使用弹簧秤．1.2多种多样的物质质量1.2.1最早认识到重量随着地球位置的不同而变化、从而区别于质量的是敏锐的荷兰著名物理学家、数学家、天文学家、发明家惠更斯（ChristianHuygens，公元1629.4.14～1695.7.8）．他为了纠正重力质量的错误，于公元第1673年把物质实质的量定义为质量．为了进一步解释物质实质的量，世界四大数学家之一，英国物理学家、数学家、哲学家、天文学家牛顿（IsaacNewton，公元1643.1.4～1727.3.31），在自己的世界名著《自然哲学的数学原理》中又给质量下了一个更加明确的定义，那就是，【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，体积也加倍，它的量就增为原来的4倍；……我在之后不论何处称之为“物体”或“质量”的，就是指这个量而言．】从上述定义知，质量是表示一般实际物质多少的物理量，所以我们把这种质量概念叫做一般物质质量，简称为一般质量．根据这个定义，物体确定后，物体所含物质的多少就确定下来，它不随体积的变化而变化，也不随重量的变化而变化．因此，牛顿认为：确定的物体的质量是绝对的，不因参照系的不同而变化．后来，人们把牛顿的这一看法叫做绝对质量观，把这一结论叫做质量绝对性原理．一般物质质量虽然表达出了惠更斯的“物质实质的量”的本质，但是仍然引起了至今还没有停止的争论．最著名的是奥地利物理学家、生物学家、心理学家、哲学家马赫（ErnstMach，公元1643.1.4～1727.3.31），马赫对牛顿的解释提出了异议．他在公元第1883年出版的名著《力学科学》中说：“牛顿所给出的质量概念的表述为，质量是物体的物质之量，而物质之量又是由物体的体积和密度的乘积决定的，这是不妥的．我们只能把密度定义为单位体积内的质量．因而很明显，在这里形成了一个迷宫.”我认为，牛顿对惠更斯的质量的解释确实陷入逻辑上的循环论证中，所以应该淘汰循环论证的内容．1.2.2也有人反对马赫说：牛顿的质量定义是他的机械原子论的观点的产物．牛顿认为物质都是由完全相同的、不可分割的基本粒子——原子构成的．所谓密度，就是物体单位体积中所包含的这种绝对原子的多少；而所谓质量，就是整个物体所包含的这种绝对原子的多少．所以牛顿认为，测量物体的质量，实质上就是测量物体内部原子的数目．在描述摆在媒质中的振动时，牛顿就曾明确写道：“作用于物体内部粒子上的阻力，是和物质之量、即受阻力的粒子的数目成正比的．”可见，牛顿的质量定义本身的逻辑关系是清楚的，并未陷入循环的迷宫．为了方便，我们把用原子数目表达的质量概念叫做原子物质质量，简称为原子质量．也有人反对原子物质质量说：①原子还可以分为质子、中子和电子，而不同种物质的原子内部，包含的质子、中子和电子的数目是不同的．因此，对于同种物质，还可以通过比较原子的数目比较质量的大小，而对于不同种物质，原子物质质量就失去意义而成为错误的了．②凡是定义一个物理量，必须相应地规定它的能够实施的量度办法．但迄今为止，任何人都无法通过测定物体内部原子的数目来确定物体的质量．我认为，上述分析确有道理，故原子物质质量的概念应淘汰．1.2.3也有人不同意批判原子物质质量，他们辩解说：应该用发展的眼光看待一种学说．不同种的原子中虽然包含的质子、中子和电子的数目不同，但所包含的质子、中子和电子的内部结构是相同的，所以可以把物质之量理解为物体内部包含的质子、中子和电子数目的多少．为了方便起见，我们把用质子、中子、电子这些基本粒子的数目表达的质量概念叫做粒子物质质量，简称为粒子质量．也有人反对粒子物质质量说：①既然要通过物质结构的层次来理解质量，那么就应该考虑到，物质结构的层次并不终止于质子、中子和电子，应该考虑到物质还有“场”这类存在的形式．因此，这种用“绝对质子”、“绝对中子”、“绝对电子”来代替“绝对原子”的想法，有很大的局限性．特别是，粒子物质质量无法解决“场”的质量问题．②无法规定粒子物质质量的能够实施的量度办法．我认为，上述意见②正确，理由同本节的1.2.2中的②．但上述意见①的前半段错误，理由是：所有不同物质中所包含的质子、中子和电子的结构都相同．因此，质子、中子和电子的数目可以表示出不同种物质的多少，也就是说，粒子物质质量可纠正原子物质质量的错误．但是，我仍然认为粒子物质质量是错误的．因为上述意见①的后半段提出的场的质量问题，这在本节2虚物质（场能）的能量，本节3物质和场能的关系以及本专著第2章第187～191页第13节中的2.5里都有详述．1.3惯性质量和引力质量1.3.1惯性质量惯性是描述物体保持原有运动状态不变的趋势的物理量；质量是描述物体内部物质多少的物理量．因此，惯性和质量并非同一概念．但是惯性和质量却有着紧密的联系，即根据第01节中表达惯性定律的(01.6)式知，在常力F的作用下，惯性大小I和质量大小m严格地成正比．换句话说，在F不变的情况下，质量增加一倍，惯性就增加一倍．因此，在描述物质的多少上，惯性和质量是完全相同的．于是，有一些人就把质量定义为惯性大小的量度，并且叫做惯性质量，记做．这样就把惯性概念和质量概念混为一谈了．然而，惯性和质量也有着严格的区别，即对于一个确定量的物体，惯性与所受外力成反比，若所受外力增大一倍，则惯性就缩小一半；而质量却与所受的外力无关．因此，在物体所受外力不同时，就无法用惯性准确地表示物质的多少了．这就是说，惯性质量的概念是错误的．惯性质量的错误与体积质量、重力质量的错误完全相同，不知道批判牛顿的物质质量概念的科学家们为什么不接受体积质量、重力质量错误的教训而重蹈其覆辙呢？惯性质量的根本错误是改变了牛顿运动定律的性质．如，定义惯性质量的人们认为：满足牛顿第二运动定律Fma的质量m是惯性质量，是惯性大小的量度．但是，牛顿在发现牛顿第二运动定律Fma时，把其中的质量m确定为物质多少的量度，并没有确定为惯性大小的量度．因此，把Fma中描述物质多少的质量m改为惯性大小的量度以后，就改变了Fma中的质量m原来的含义，从而改变了牛顿第二运动定律Fma原来的性质．因此就使得牛顿第二运动定律不再是原来的牛顿第二运动定律而成为一条新的定律了．1.3.2引力质量引力是描述物体对其他物体产生吸引作用的大小和方向的物理量；质量是描述物体内部物质多少的物理量．因此，引力和质量并非同一概念．但是引力和质量却有着紧密的联系，即根据牛顿万有引力定律知，在被吸引的物体M确定以后，物体m对M产生的引力的大小F和物体m的质量m严格地成正比．换句话说，质量m增加一倍，产生的引力大小F就增加一倍．因此，在描述物质的多少上，引力大小和质量是完全相同的．于是，有些人就把物体m的质量定义为物体m对物体M产生引力大小的量度，并叫做引力质量，记做mg．这样就把引力概念和质量概念混为一谈了．然而，引力和质量也有着严格的区别，即对于一个确定量的物体m，它对物体M产生的引力大小F与物体M的质量M成正比，若物体M的质量M增大一倍，则F就增大一倍；而m的质量m却与M无关．因此，在被吸引的物体M不确定时，就无法用引力准确地表示物质的多少了．这就是说，引力质量的概念是错误的．引力质量的错误与体积质量、重力质量的错误完全相同，不知道批判牛顿的物质质量概念的科学家们为什么不接受体积质量、重力质量错误的教训而重蹈其覆辙呢？引力质量的根本错误是改变了牛顿万有引力定律的性质．例如，定义引力质量的人们认为：满足牛顿万有引力定律的质量m是引力质量，是物体m对物体M产生的引力大小的量度．但是，牛顿在发现牛顿万有引力定律时，把其中的质量m确定为物质多少的量度，并没有确定为引力大小的量度．因此，把中描述物质多少的质量m改为引力大小的量度以后，就改变了中的质量m原来的含义，从而改变了牛顿万有引力定律原来的性质．因此就使得牛顿万有引力定律不再是原来的牛顿万有引力定律而成为一条新的定律了．1.3.3剖析矛盾①经典力学认为，惯性质量mi服从牛顿运动定律Fma．所以物体m受到地心M的引力F作用时有，其中为引力加速度．经典力学认为，引力质量mg服从牛顿万有引力定律．所以物体m受到地心M的引力F作用时有，其中M为地球的质量，为物体m到地心的距离，K为万有引力恒量．因为和中的F都是M对m的引力，故有，所以有．因为，，K，M都是常数，所以是常数．即mg和mi严格地成正比．因此追捧惯性质量和引力质量的人们就认为：只要选取适当的单位，引力质量mg和惯性质量mi的比例系数就可以为1，从而使mg和mi在数值上相等．因此，在实际应用中，就不再区分为惯性质量和引力质量而统称为质量，并统一记做m．事实上，“严格地成正比”和“相等”是性质完全不同的两个概念．对于两个同名数的物理量来说，“相等”仅仅是“严格地成正比”中选取相同的单位并且比例系数为1时的特例．当选取的单位不同、比例系数为1时也不能是相等．比如：A人的钱的数目a恒为B人的钱钱的数目b的10倍，这说明a与b严格地成正比．可是，如果a和b都选元做单位，则有(无名数)．如果选取适当单位，例如a选元做单位而b选角做单位，那么有（元／角）．此时，尽管比例系数为1，但是a与b本质上仍不相等．对于不同名数的两个物理量，“严格地成正比”还有意义，“相等”却不再有意义．例如：人匀速行走时每分钟走60米，这说明路程s和时间t(m/min)．若选取适当单位，如路程s选米（m）而时间t选秒（s），则有(m/s)．此时，尽管比例系数为1，但1m决不等于1同样的道理，如果mi和mg虽然严格地成正比而本质上并不相等（不妨设mg1000mi），那么，若mi和mg都选kg做单位，则有1000（无名数）．若选取适当单位，如mg选kg而mi选g，则有1(kg/g)．此时，尽管比例系数为1，但mi和mg本质上也不相等．所谓惯性质量mi和所谓引力质量mg本质上的相等并不是靠选取适当单位得来的，也不是不同属性（惯性和引力）在数值上的巧合，而是同一属性（物质的多少）在不同方面（受力方面和施力方面）的表现．即物体所包含的物质的多少可以通过受力时的惯性大小表现出来，也可以通过施力时的引力大小表现出来．甚至，在地球的同一地点，还可以通过重力大小表现出来；密度相同的同种物体，还可以通过体积大小表现出来．物质的多少（即质量）之所以可以通过惯性、引力、重力、体积表现出来，是因为质量在一定条件下与它们分别成正比．但是，不能因为质量在一定条件下与它们分别成正比，就把质量说成是惯性、引力、重力、体积的量度．牛顿等人已把质量和重力、体积区分开来是历史的进步，后人又将质量与惯性、引力混为一谈则是历史的倒退．②常利编、北京教育出版社1987年11月第1版的名著《牛顿运动定律》等众多文献都是由推导出的，并将中的质量m保留在中，因此，和中的质量m本来就是同一个．上述众多文献将中的m改为mi，把中的m改为mg，并声明mi和mg是性质完全不同的两个概念就与自己的上述推导发生了矛盾．③牛顿定义的密度是表明物体结构疏密程度的物理量．用数学公式来表达则为物体的质量m与物体的体积V之比，即为．因此叫做物质质量m．一些人将m分别改为mi和mg后，密度就得被改为单位体积内的惯性大小和单位体积内的引力大小，这就无法再表示物体结构的疏密程度了．所以是讲不通的．1.4准确科学的质量概念目前，物质质量、惯性质量和引力质量同时充斥于各式各样的教材，塞满了形形色色的专著，被真真假假的科学家们随心所欲地使用着．例如，当涉及物体