質(zhì)量概念中的物理學(xué)思想方法

吳英

(遵義師范學(xué)院物理系,貴州遵義563002)

質(zhì)量概念中的物理學(xué)思想方法

吳英

(遵義師范學(xué)院物理系,貴州遵義563002)

質(zhì)量概念從“物質(zhì)的量”、“慣性質(zhì)量”、“引力質(zhì)量”、“電磁質(zhì)量”、一直到“愛(ài)因斯坦質(zhì)速關(guān)系和質(zhì)能關(guān)系”的形成和發(fā)展中，包含著質(zhì)疑和釋疑、假說(shuō)和驗(yàn)證、唯象和機(jī)理等物理學(xué)思想方法。

物理學(xué)思想方法；慣性質(zhì)量；引力質(zhì)量；電磁質(zhì)量

質(zhì)量是物理學(xué)中一個(gè)非常重要的物理量，質(zhì)量概念的發(fā)展和其他物理概念的發(fā)展一樣，經(jīng)歷了曲折漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程，其中包含著豐富的物理學(xué)思想方法。物理學(xué)的思想方法中比較重要的有三種：一是質(zhì)疑和釋疑，二是假說(shuō)和驗(yàn)證，三是唯象和機(jī)理[1]。質(zhì)量概念從“物質(zhì)的量”、“慣性質(zhì)量”、“引力質(zhì)量”、“電磁質(zhì)量”、一直到“愛(ài)因斯坦質(zhì)速關(guān)系和質(zhì)能關(guān)系”的演化過(guò)程中，包含著這三種物理學(xué)思想方法。

1 質(zhì)疑和釋疑

物理中的質(zhì)疑一般包括四個(gè)層次。第一層次是由于對(duì)問(wèn)題本身缺乏清晰的了解而形成的質(zhì)疑；第二層次是由于已有知識(shí)不夠，致使問(wèn)題無(wú)法解釋而形成的質(zhì)疑；第三層次是由于觀察了問(wèn)題的解釋與原有的理論解釋相矛盾而形成質(zhì)疑；第四層次是由于理論內(nèi)部不自恰而形成的質(zhì)疑[2]。質(zhì)量概念中的質(zhì)疑有第一層次和第四層次的含義。這里主要說(shuō)說(shuō)對(duì)物質(zhì)的量的質(zhì)疑和釋疑。

在物理學(xué)發(fā)展史上，牛頓第一個(gè)將物質(zhì)的量作為建立動(dòng)力學(xué)的最基本的物理概念而引入物理學(xué)，并加以明確定義。牛頓在1687年發(fā)表了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。在《原理》第一部分的八個(gè)定義中的定義1就定義了物質(zhì)的量，即為：物理的量是用它的密度和體積一起來(lái)量度。在牛頓看來(lái)，在這個(gè)質(zhì)量的定義中，，密度是比質(zhì)量更簡(jiǎn)單，更基本的概念。牛頓根據(jù)波義耳關(guān)于空氣容積和壓力的實(shí)驗(yàn)，從密度方面得到質(zhì)量的概念。既然在一定量的空氣中，壓力與體積成反比，因此他們的乘積是一個(gè)常數(shù)，可以用來(lái)量度一定容器中的空氣的質(zhì)量。牛頓在執(zhí)筆寫(xiě)《原理》時(shí)，在筆記中曾經(jīng)記述過(guò)密度就是（物理的量）/（體積）。不過(guò)牛頓在說(shuō)明這個(gè)定義時(shí)，說(shuō)質(zhì)量和重量成比例，指出可以通過(guò)測(cè)定重量決定其質(zhì)量。關(guān)于質(zhì)量和重量成比例的問(wèn)題牛頓是用擺進(jìn)行精密的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明的。用不同物質(zhì)制成形狀相同、重量相等、同樣長(zhǎng)度的兩個(gè)擺使它們同時(shí)擺動(dòng)時(shí)，總是以同一步調(diào)來(lái)回?cái)[動(dòng)，這樣就表明由于兩個(gè)重物上作用的力和各自的質(zhì)量成正比，因此就有同樣的加速度。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是記在《原理》的草稿中，后來(lái)在《原理》第三部分命題六的說(shuō)明中作了敘述[3]。牛頓所描述的動(dòng)力學(xué)基本原理支持了這一學(xué)科的發(fā)展達(dá)200年，因此質(zhì)量與物質(zhì)的量從牛頓開(kāi)始直到19世紀(jì)一直是同義的，在這期間沒(méi)有人對(duì)質(zhì)量的這一表述所依據(jù)的假定提出質(zhì)疑。直到1867年，馬赫論文《關(guān)于質(zhì)量的定義》不僅批判了牛頓力學(xué)中的質(zhì)量概念，而且提出了質(zhì)量概念的新定義。論文《關(guān)于質(zhì)量的定義》完整地收錄在1872年出版的《能源守恒定律的歷史和根源》(History and Root of the Principle of the Conservation of Energy,1872)的附錄中，馬赫在1883年出版的《力學(xué)史評(píng)》中，在對(duì)牛頓力學(xué)進(jìn)行歷史批判時(shí)，其基本思想不變[4]。

馬赫強(qiáng)調(diào)，經(jīng)典力學(xué)質(zhì)量概念在兩個(gè)方面是存在困難的，一是不合理地設(shè)置了力學(xué)的首要概念和定理；二是悄悄忽略了演繹基礎(chǔ)下的重要假設(shè)。在馬赫看來(lái)，如何克服這兩方面的困難正是促進(jìn)質(zhì)量概念發(fā)展的原因所在。馬赫用人們經(jīng)常使用重力定義質(zhì)量來(lái)進(jìn)行說(shuō)明:“人們?cè)谟胢=p/g的同時(shí)也使用p= mg，這是一種非常令人反感的循環(huán) (repugnant circle)，或需要設(shè)想力是一種壓力?！背鲇诘谝粋€(gè)困難的考慮，馬赫重新設(shè)置力學(xué)基礎(chǔ)中的首要概念，選擇加速度定義質(zhì)量。針對(duì)第二個(gè)困難的考慮，他開(kāi)始建立兩個(gè)同種類(lèi)物體質(zhì)量與加速度的關(guān)系.馬赫謹(jǐn)慎地使用充分原因定律建立質(zhì)量比與加速度比關(guān)系，并認(rèn)為對(duì)這種關(guān)系的認(rèn)識(shí)是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)的嚴(yán)格考查而獲得的。在獲得了兩個(gè)同種類(lèi)物質(zhì)物體質(zhì)量概念的質(zhì)量比與加速度比關(guān)系后，馬赫進(jìn)一步將這一關(guān)系推廣到多個(gè)(兩個(gè)以上)物體。把一個(gè)物體的質(zhì)量作為單位質(zhì)量，用它來(lái)計(jì)算其他物質(zhì)的質(zhì)量，從而借助單位質(zhì)量概念建立了質(zhì)量比傳遞性關(guān)系。同種類(lèi)物質(zhì)物體的質(zhì)量比與加速度比關(guān)系獲得后，馬赫將這一關(guān)系推廣并應(yīng)用到不同種類(lèi)物質(zhì)物體的質(zhì)量比定義。最后馬赫論證了不同類(lèi)型力的相互作用物體的質(zhì)量比與加速度比關(guān)系。馬赫還設(shè)想了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)證明質(zhì)量比與不同種類(lèi)物體和不同種類(lèi)的力的作用無(wú)關(guān)。這樣就擺脫牛頓的質(zhì)量定義與力的定義中包含的邏輯上的循環(huán)論證。后人采用的質(zhì)量的可操作型定義就是來(lái)源于馬赫的思想[5]。

2 假說(shuō)和驗(yàn)證

為釋疑而提出的尚未經(jīng)實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）證明的邏輯命題或邏輯體系稱(chēng)為假說(shuō)。為考察假說(shuō)或其他推理的正確性而進(jìn)行的實(shí)踐（實(shí)驗(yàn)）活動(dòng)稱(chēng)為驗(yàn)證。由定義可知，假說(shuō)是釋疑的方法之一。假說(shuō)的三個(gè)基本特征：第一是力求解釋所有質(zhì)疑，因?yàn)樗哂忻鞔_的針對(duì)性；第二是盡量使用已有的理論，必要時(shí)才補(bǔ)充新的理論；第三是它應(yīng)是質(zhì)疑最佳的最可靠的解釋?zhuān)丛谥T釋疑方案中，假說(shuō)是能使質(zhì)疑獲得圓滿(mǎn)解釋中的可能性最大的一個(gè)。驗(yàn)證的方法主要是物理實(shí)驗(yàn)。在物理學(xué)的發(fā)展中，驗(yàn)證的內(nèi)容主要是由假說(shuō)出發(fā)，按物理演繹推出某種預(yù)言，這種預(yù)言或可被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，或可在實(shí)踐中發(fā)生，一般說(shuō)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)言的結(jié)果，假說(shuō)就得到了驗(yàn)證。

慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是從兩個(gè)相互獨(dú)立的 (牛頓第二定律和萬(wàn)有引力定律)分別定義的反映同一物體的兩種不同屬性的物理量，一個(gè)表示物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度，一個(gè)表示物體吸引其他物體的能力，這兩者之間有無(wú)聯(lián)系呢？在物理學(xué)史上，對(duì)兩者關(guān)系的認(rèn)識(shí)是經(jīng)歷了從假設(shè)到驗(yàn)證的過(guò)程得到的。

設(shè)離地心距離為R的地點(diǎn)有質(zhì)點(diǎn)m1引、m2引，它們?cè)谕晃恢檬艿降囊Ψ謩e為F1=Gm地m1引/R2、F2=Gm地m2引/R2，設(shè)兩質(zhì)點(diǎn)自由下落，并用g1、g2表示他們的加速度，根據(jù)牛頓第二定律，有Gm地m1引/ R2=m1慣g1、Gm地m2引/R2=m2慣g2、若不同的質(zhì)點(diǎn)在同一位置自由下落的加速度相同，即g1=g2=g，代入上式即得m1慣/m1引=m2慣/m2引=Gm地/R2g，由此式看出不同質(zhì)點(diǎn)具有共同的重力加速度，導(dǎo)致不同的質(zhì)點(diǎn)慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量之比彼此相等，比值Gm地/R2g跟質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量無(wú)關(guān)，適當(dāng)選取G值就使慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等即m慣=m引

這一等式的驗(yàn)證首先要驗(yàn)證不同的物體重力加速度相同。伽里略在1638年發(fā)表的《兩門(mén)新科學(xué)》中，論述了作自由落體運(yùn)動(dòng)的物體在相等的時(shí)間間隔內(nèi)下落的距離呈從1開(kāi)始的奇數(shù)序列的規(guī)律，同時(shí)驗(yàn)證了g與物體無(wú)關(guān)[6]。

牛頓用單擺實(shí)驗(yàn)研究慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是否相等，單擺周期為，L表示擺長(zhǎng)，牛頓用金、銀、玻璃等不同的材料制作成擺長(zhǎng)11英尺的單擺比較他們的周期，其結(jié)果是用△m表示m慣、與m引之差，△m/m慣＜10-3[5]。

更精確地檢驗(yàn)慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量等價(jià)性的實(shí)驗(yàn)是匈牙利物理學(xué)家厄缶在1896年所做的扭秤實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中既考慮了引力又考慮了因地球自轉(zhuǎn)引起的離心慣性力。厄缶以鉑為標(biāo)準(zhǔn)，分別比較了八種不同的材料的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量，得到的結(jié)論是，在精確度在10-9的范圍內(nèi)，各種物質(zhì)的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量之比為常數(shù)[7，8]。1964年迪克將實(shí)驗(yàn)的精度提高到10-10，1971年又提高到10-11，得到的結(jié)論也是相同的[9]。一旦肯定了任意物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量之比為一常數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)膯挝痪涂梢允惯@一常數(shù)等于1。實(shí)際上，從牛頓以來(lái)，人們就認(rèn)定同一物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等，從而早已按這一要求確定了質(zhì)量的單位。因此在以后的討論中，不再區(qū)分物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量，統(tǒng)稱(chēng)為物體的質(zhì)量。同時(shí)應(yīng)該注意慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等效，只是說(shuō)明物體的慣性與其產(chǎn)生和感受引力的特性，在一定條件下總是同時(shí)存在，同時(shí)變化，以致它們?cè)跀?shù)量上存在正比關(guān)系，因此選擇適當(dāng)?shù)膯挝粫r(shí)，可以用同一數(shù)量來(lái)表征這兩種質(zhì)量。同一物體的慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量是建立廣義相對(duì)論的重要依據(jù)之一。因此對(duì)這一問(wèn)題的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

3 維象與機(jī)理

不涉及問(wèn)題的微觀機(jī)理，只從宏觀現(xiàn)象上充分占有問(wèn)題的條件和結(jié)論，稱(chēng)之為維象性處理。從微觀機(jī)理上釋疑，稱(chēng)為機(jī)理性處理。維象性處理得到的理論是維象性理論。維象性處理思考的特征是:第一,思考的側(cè)重點(diǎn)不是為什么而是是什么；第二,思考的基礎(chǔ)是與質(zhì)疑有關(guān)的，甚至是彼此相類(lèi)似的大量實(shí)驗(yàn)材料；第三,思考成果主要是實(shí)驗(yàn)定律，而不是物理定理、原理。維象性理論雖然不能在理論上徹底釋疑，但由于弄請(qǐng)了問(wèn)題的本身，基本上全面占有了現(xiàn)象和結(jié)論，從而具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值。另一方面維象性理論又是清晰微觀機(jī)理的必要前提條件之一。只有清楚了全部的事實(shí)，才可能正確地去粗取精，去偽存真。所以在質(zhì)疑問(wèn)題的微觀機(jī)理一時(shí)難以清晰的條件下，先對(duì)其采取維象性處理，便是釋疑的一個(gè)有效的思維方法。

在最初形成質(zhì)量概念時(shí)，人們對(duì)于質(zhì)量概念的思考的“側(cè)重點(diǎn)不是為什么而是是什么”。牛頓將“質(zhì)量”稱(chēng)做“物質(zhì)的量”，今天看來(lái)，物質(zhì)的量和質(zhì)量是兩個(gè)完全不同的概念，1971年國(guó)際計(jì)量大會(huì)把“物質(zhì)的量”單位規(guī)定為摩爾，摩爾是一物系的物質(zhì)的量，該物系中包含的結(jié)構(gòu)粒子與0.012 Kg12C原子數(shù)目相等。盡管如此，牛頓對(duì)“物質(zhì)的量”的稱(chēng)謂和定義，并不影響牛頓對(duì)牛頓第一、第二、第三定律的闡述以及后人對(duì)牛頓三定律乃至牛頓力學(xué)的理解和運(yùn)用。

隨著對(duì)質(zhì)量概念的認(rèn)識(shí)的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到牛頓質(zhì)量概念在一定意義上肯定了物質(zhì)的客觀性和永久性，但是牛頓斷言物體的質(zhì)量是不變的，使他的質(zhì)量定義帶上了形而上學(xué)的原則性缺陷。后人的研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)量并不是不變的，而且質(zhì)量還與粒子的波動(dòng)性相聯(lián)系，這是牛頓經(jīng)典力學(xué)無(wú)法解釋的。

1876年美國(guó)的物理學(xué)家羅蘭用實(shí)驗(yàn)證明一個(gè)靜電荷當(dāng)它快速轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)后，對(duì)磁針會(huì)產(chǎn)生影響。在電子論出現(xiàn)以后人們由羅蘭實(shí)驗(yàn)想到，既然帶電體運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而使帶電體運(yùn)動(dòng) ，比讓不帶電體運(yùn)動(dòng)需要做更多的功，這就好像存在著某種和電荷的場(chǎng)連在一起的“附加慣性”。這種由于電磁作用而產(chǎn)生的“附加”質(zhì)量被稱(chēng)為電磁質(zhì)量。1901年德國(guó)的物理學(xué)家考夫曼用放射性鐳鹽發(fā)出的β射線(xiàn)通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)電子的荷質(zhì)比和速度作出測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子的質(zhì)量隨運(yùn)動(dòng)速度的不同而變化。愛(ài)因斯坦在《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》中討論了這個(gè)問(wèn)題，并導(dǎo)出了電子的縱質(zhì)量和橫質(zhì)量分別為

其中m0為物體的靜質(zhì)量，v和c分別為質(zhì)點(diǎn)的速度和真空中的光速。普朗克在1906年得到相對(duì)論質(zhì)量公式為，

由此看出當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的速度可與光速相比時(shí)，質(zhì)量就隨著速度的增加而增加[7]。同時(shí)也表明質(zhì)點(diǎn)越來(lái)越能阻擾被加速的趨勢(shì)，即，使它加速所需的動(dòng)力就越大，因此愛(ài)因斯坦證實(shí)質(zhì)量具有能量，他采用了相對(duì)論改寫(xiě)了牛頓的方程式從而得到E=W+mc2，當(dāng)粒子處于靜止時(shí)，W=0，E=mc2，即一個(gè)粒子在靜止?fàn)顟B(tài)中也有等于mc2的能量，這就是愛(ài)因斯坦質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式，他將它總結(jié)為“能量有質(zhì)量，質(zhì)量也有能量”[10]。而在量子理論中，質(zhì)量也具有與牛頓力學(xué)里的慣性不同的含義，對(duì)自由粒子來(lái)說(shuō)，質(zhì)量m是作為德布羅意波長(zhǎng)里的參數(shù)出現(xiàn)的，所以在量子力學(xué)里，質(zhì)量一開(kāi)始就與粒子的波動(dòng)性相聯(lián)系。

4 結(jié)束語(yǔ)

物理學(xué)中的思想方法是隨著物理概念和體系的建立而建立。而質(zhì)疑和釋疑，假說(shuō)和驗(yàn)證，唯象和機(jī)理這三種思想方法，讓人們對(duì)于質(zhì)量概念的認(rèn)識(shí)逐漸深化和完善。

[1]閻金鐸，段金梅，續(xù)佩君.物理教學(xué)論[M].南京：江蘇教育出版社,1991.

[2]續(xù)佩君.物理能力測(cè)量研究[M].南寧：廣西教育出版社, 1996.

[3]廣重徹.物理學(xué)史[M].祁關(guān)泉，龔又明，胡敦，等譯.上海教育出版社,1986.

[4]郭勇斌.關(guān)于馬赫的論文《關(guān)于質(zhì)量的定義》的研究[J].硅谷, 2008,（7）:125-129.

[5]漆安慎杜嬋英.力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2005.

[6]W.C.丹皮爾.科學(xué)史及其與哲學(xué)和宗教的關(guān)系[M].李衍譯.南寧：廣西師范大學(xué)出版社,2001.

[7]李艷平，申先甲.物理學(xué)史教程[M].北京：科學(xué)出版社,2003.

[8]郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史[M].北京：清華大學(xué)出版社,1993.

[9]梁紹榮,劉昌年,盛正華.普通物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社,1987.

[10]蘭西·佩爾斯，查理士·撒士頓.科學(xué)的靈魂[M].南昌：江西人民出版社,2006.

（責(zé)任編輯：朱 彬）

Thoughtway on Physics from Mass Concept

WU Ying
(Department of physics,Zunyi Normal College，Zunyi 563002，China)

In the process of the formation and development of mass concept，it contains three thoughtways on physics such as calling in question and clearing up doubts,hypotheses and verifying,macro-treatment and micro-treatment

thoughtway on physics；inertial mass；gravitational mass；electromagnetic mass

N03

C

1009-3583（2010）-01-0102-03

2009-09-20

吳英，女，四川綦江人，遵義師范學(xué)院物理系高級(jí)講師，碩士。