引力质量和惯性质量
任何物体都具有吸引其他物体的性质,引力质量是物体这种性质的量度。选定两质点a和b,先后测量它们各自与质点c的引力fac 和fbc。实验发现,只要距离ac和bc相等,则不论这距离的大小如何,也不论质点c是什么物体,力fac和fbc的比值fac/fbc是一个常数。该结果表明,fac/fbc之值仅由质点a和b本身的性质决定。物理学中规定a、b两质点引力质量之比等于力fac与fbc之比。若用ma及mb分别表示a、b两质点的引力质量,则ma/mb=fac/fbc,选取其中一质点的引力质量作为引力质量的单位后,另一质点的引力质量可通过实验由上式确定。通常取保存在国际计量局中的国际千克原器的引力质量为单位,称为“千克”。爱因斯坦曾这样写道:“……在引力场中一切物体都具有同一加速度。这条定律也可以表述为为惯性质量同引力质量相等。它当时就使我们认识到它的全部重要性。我们为它的存在极为惊奇,并猜想其中必定有一把可以更加深入地了解惯性和引力的钥匙。
一、引力质量与惯性质量的关系
设有a、b两个物体,他们惯性质量分别为ma,mb。引力质量为
m`a,m`b。把a、b两个物体放在地球(质量m,半径r)上的同一点,根据万有引力定律与牛顿第二定律,得到如下的推导关系:
fa=g(m*m`a)/(r*r)=ma,fb=g(m*m`b)/(r*r)=mb.
若将以上两式相比,所以:
ma:mb=m`a:m`b
即,引力质量与惯性质量的关系为:a、b物体所受惯性质量的比等于他们的引力质量的比。
二、引力质量和惯性质量在概念上的区别
引力质量和惯性质量在力学的属性上是完全相同没有区别的,我们排除掉特殊的物质所具有的特殊性,比如电荷具有的电的作用,具有磁性的物质具有的磁的作用,而仅考察所有的物质所具有的共性。大量的经验事实使我们可以得到两种获得物体质量的方法。一种方法是利用物体本身具有的惯性,给这个物体施加一个矢量的作用力,那么这个物体会在这个作用力的作用下发生存在状态的改变。这一点是所有特定质量的物质都具备的。我们通常将这种方法所测得的质量叫做惯性质量。具体的方法则是:在物体处于特定存在状态的时候,如果要改变这种存在状态,那么必然要对这个物体施加作用力,根据牛顿第二运动定律,我们可以得到,在物体所受到的作用力不变的情况下,物体的质量同加速度成反比。我们只要测定了作用力的大小和物体加速度的大小,那么就可以确定物体的质量。另一种方法是处于引力场中的具有质量的物质,都会受到引力的作用。在同一引力场强度下,物体所受到的作用力同物体的质量成正比。我们通常将这种方法得出的质量叫做引力质量。我们现在所应用的质量模式可以认为是引力质量模式。因为引力质量是我们采用质量的定义所得到的最初的模式。但实际上,这样的一种经验结论是通过大量的处于地球引力场中的物体进行观察所得出的结论,开创性的贡献可以认为是由牛顿先生来完成的。在质量的应用
历史上,我们甚至不能分辨引力质量和惯性质量的应用的先后。因为我们通过引力质量的模式确定物体的质量,但是在实际的应用过程中,我们通常都是将两种模式的质量通用。具体表现在如下的方面:最初我们所采用的质量都是采用引力质量的方法测定的,具体
的方法则是采用天平的模式建立的。即:建立一个标准单位质量,然后通过这一标准单位质量去在地球的引力场中去衡量其它物体质
量的模式来确定物体的质量。我们利用这种方法得到的质量来对物体的运动变化进行计量,比如牛顿第二运动定律的量的模式,就是
采用这种方法来确定的。采用引力质量来确定物体的量,然后再采用惯性质量的模式来建立物质的运动变化规律。我们虽然可以采用两种方法得到物体的质量。但是这两种物体的质量定量的模式在属性上都是相同的,都是采用作用力的方法进行定量。不论是引力场给与物体的作用力得到质量的特点,还是给物体施加作用力改变物体运动状态所表现出的物体质量的特点。只要作用力的属性是相同的,那么物体的质量属性就是相同的。但实际上物体的质量和作用力都是采用循环定义的。用作用力去定量物体的质量或者用物体的质量去定量作用力。另一方面是,不论是引力还是我们给物体施加的作用力,都是力,都具有力的属性,在这方面,是没有区别的。因此两种质量是没有区别的。或者惯性质量和引力质量的属性是相同的,甚至可以说,两种质量没有任何的区别,唯一存在区别的是采用的
定量方法不同。
三、惯性质量与引力质量的变化问题
关于惯性质量和引力质量的变化问题,同样也是科学界一直争论的问题,在传统科学中,对质量的定义是物质本身固有内容,是不以环境的改变而改变的物理概念,它的物理量与重力不同,重力可以随着环境的改变而改变,质量是一个永恒不变的物理量,将一个质量为m的物体,从地球上运送到月球上,或者是拿到其它星球上,这个物体的质量是不会减少或增加的,这就是人们心中的质量意义。但是在爱因斯坦的物理理论中,对质量的定义已有了科学性的发展。因为在爱因斯坦的物理理论中,将物质的质量与物质的能量相联系,建立了爱因斯坦的质量方程:e=mc2,特别是在爱因斯坦的相对论物理理论中,将物质的静止质量与物体的运动取得了联系,,这更加说明了物质质量与物质能量的关系.从爱因斯坦的物理理论中可以看出来,当一个物质的温度升高,它的内能增加,物质的总能量就会增加,从宏观上来看,是分子的平均动能增加,从本质上看,是环境的光子信息能量密度增加,由于光子这个基本粒子构成的分子光子信息,与增加的环境中光子信息能量,在单位时间内与环境作用的光子信息能量增加了,从而增加了分子的平均动能,宏观上增加了物质的温度,也就增加了物质的质量.以上研究是对传统的质量的看法,是很多人都能够理解的事,既温度升高,速度增大,物体的质量增加,如果说一个相反的结论,当物质的温度降低时,物体的质量就会减少,当物质的温度降低到最低时,物质的质量会怎么样。可以设想在温度不断降低的情况下,物质的惯性质量和引力质量可以不断减少,甚至可以等于零。由于惯性质量和引力质量可以不断
减少,并且是同步减少,不会给生活带来可怕的结果。同样这种设想是否符合客观规律,随着科学的进程,终将会揭开这个谜。
