第02節(jié)質能概念新分析

數(shù)理揭謎三部曲(2)：動力學之謎與美第1章低速絕對相對論PAGE44PAGE43第02節(jié)質能概念新分析人們經過長期的實踐活動，在自己的頭腦中逐漸地形成了“物質”的概念．于是人們就把獨立于人類意識之外、而又能夠被人類感知的客觀存在的一切定義為物質．最初，人們通過肉眼的觀察，肉手的觸摸，首先認識了由分子或原子或質子、中子、電子等粒子組成的，有機械性質的，看得見、摸得著的，實實在在的一般物質，所以就把這種一般物質叫做實物質，簡稱為物質或物．表示物質（實物質）多少的物理量叫做物質之量，簡稱為物量，俗稱為質量，記做m．為了突出物量或質量是表示物質多少的概念，質量又叫做物質質量．為了研究問題方便，把具有一定體態(tài)的實物質叫做物體．隨著對大自然認識的深化，人們又在實踐活動中感知到：電荷周圍存在著電場，磁體周圍存在著磁場，物體周圍存在著引力場．這些事實都說明宇宙間除了存在著一般物質以外，還存在著一種非分子或原子或質子、中子、電子等粒子組成的，無機械性質的，看不見、摸不著的，虛無縹緲的特殊物質，所以就把這種特殊物質叫做虛物質，簡稱為場能或場．表示場能（虛物質）多少的物理量叫做場能之量，簡稱為場量，俗稱為能量，記做e．為了突出場量或能量是表示場能多少的概念，能量又叫做場能能量．為了研究問題方便，把通過實物質表現(xiàn)出一定形態(tài)的虛物質叫做場形．1實物質（物質）的質量1.1體積質量和重力質量1.體積是描述物體外部形狀大小的物理量；質量是描述物體內部物質多少的物理量.因此，體積和質量并非同一概念．但是體積和質量卻有著緊密的聯(lián)系，即對于密度相同的同種物體，體積和質量嚴格地成正比，如果物體的質量增加一倍，那么物體的體積就增加一倍．因此，在描述物質的多少上，體積和質量是完全相同的．于是，人們就用體積的大小來衡量物質的多少，把質量定義為體積大小的量度，從而就把體積概念和質量概念混為一談了．為了研究問題方便，我們把這種質量概念叫做體積質量．然而，體積和質量也有著嚴格的區(qū)別，即對于一個確定量的物體，體積與密度嚴格地成反比，若密度增大一倍，則體積就縮小一半；而質量卻與密度無關．因此，對于非同種物質或密度不同的同種物質，就無法用體積的大小來比較物質的多少了．這就是說，體積質量的概念是錯誤的．所以體積質量的概念也就隨著人們實踐活動的擴大而被淘汰了．但是在少數(shù)場合下，人們仍在使用體積質量．例如，人們仍以桶的容積表示石油的多少；仍以瓶的容積表示啤酒的多少．1.重力是描述物體在地球表面所受地心引力大小和方向的物理量；質量是描述物體內部物質多少的物理量．因此，重力和質量并非同一概念．但是重力和質量卻有著緊密的聯(lián)系，即在地球的同一地點，不論物體的密度是大是小，重力的大小——重量和質量都相當精確地成正比[不是嚴格地成正比，這我在我的、河北科學技術出版社1993年7月第1版的專著《動力學之謎新探索》的第260～270頁中已經說明]：如果質量增加一倍，則重量就相當精確地增加一倍．因此，在描述物質的多少上，重量和質量是極為相同的．于是，人們就用重量來衡量物質的多少，把質量定義為重力大小的量度，從而就把重量概念和質量概念混為一談了.在諸如世界四大通才之一，意大利物理學家、天文學家、數(shù)學家、科學革命先驅、近代實驗科學奠基人、觀測天文學之父、現(xiàn)代物理學之父伽利略（GalileoGalilei，公元1564.2.15～1642.1.8）；法國著名物理學家、數(shù)學家、哲學家、生理學家、解析幾何的創(chuàng)始人笛卡兒（RenéDescartes，公元1596.3.31～1650.2.11）；世界四大通才之一，德國著名物理學家、數(shù)學家、哲學家、邏輯學家萊布尼茨（GottfriedWilhelmLeibniz，公元1646.7.1～1716.11.14）等大家的著作中，重量和質量這兩個術語就可互換使用．所以，為了研究問題方便，我們把這種質量概念叫做重力質量．由于重力的大小與密度無關，所以重力質量能夠描述密度不同的物質的多少，所以重力質量就取代了體積質量而被人們使用了．然而，重量和質量也有著嚴格的區(qū)別，即對于一個確定量的物體，重量在地球的不同緯度、不同高度和不同地質結構處并不相同；而質量卻與地球的位置無關．因此，在地球的不同處，就無法用重量準確地表示物質的多少了．這就是說，重力質量的概念是錯誤的．所以重力質量也就隨著人們對于客觀世界認識的深入而被淘汰了．但是，人們實踐活動的經驗反復證明，在地球的任一確定地點，重量和質量仍然相當精確地成正比，只不過是在地球的不同地方，其正比系數(shù)不同而已．我們把這一事實叫做質重正比原理．盡管重力質量概念被淘汰，但是人們利用質重正比原理測量質量的方法一直沿用到今天，并且在在一些場合下，仍在使用重力質量．例如，在農貿市場上，仍有大量攤販使用彈簧秤．1.2多種多樣的物質質量1.2.1最早認識到重量隨著地球位置的不同而變化、從而區(qū)別于質量的是敏銳的荷蘭著名物理學家、數(shù)學家、天文學家、發(fā)明家惠更斯（ChristianHuygens，公元1629.4.14～1695.7.8）．他為了糾正重力質量的錯誤，于公元第1673年把物質實質的量定義為質量．為了進一步解釋物質實質的量，世界四大數(shù)學家之一，英國物理學家、數(shù)學家、哲學家、天文學家牛頓（IsaacNewton，公元1643.1.4～1727.3.31），在自己的世界名著《自然哲學的數(shù)學原理》中又給質量下了一個更加明確的定義，那就是，【物質的量是用它的密度和體積一起來量度的．所以，空氣的密度加倍，體積也加倍，它的量就增為原來的4倍；……我在之后不論何處稱之為“物體”或“質量”的，就是指這個量而言．】從上述定義知，質量是表示一般實際物質多少的物理量，所以我們把這種質量概念叫做一般物質質量，簡稱為一般質量．根據(jù)這個定義，物體確定后，物體所含物質的多少就確定下來，它不隨體積的變化而變化，也不隨重量的變化而變化．因此，牛頓認為：確定的物體的質量是絕對的，不因參照系的不同而變化．后來，人們把牛頓的這一看法叫做絕對質量觀，把這一結論叫做質量絕對性原理．一般物質質量雖然表達出了惠更斯的“物質實質的量”的本質，但是仍然引起了至今還沒有停止的爭論．最著名的是奧地利物理學家、生物學家、心理學家、哲學家馬赫（ErnstMach，公元1643.1.4～1727.3.31），馬赫對牛頓的解釋提出了異議．他在公元第1883年出版的名著《力學科學》中說：“牛頓所給出的質量概念的表述為，質量是物體的物質之量，而物質之量又是由物體的體積和密度的乘積決定的，這是不妥的．我們只能把密度定義為單位體積內的質量．因而很明顯，在這里形成了一個迷宮.”我認為，牛頓對惠更斯的質量的解釋確實陷入邏輯上的循環(huán)論證中，所以應該淘汰循環(huán)論證的內容．1.2.2也有人反對馬赫說：牛頓的質量定義是他的機械原子論的觀點的產物．牛頓認為物質都是由完全相同的、不可分割的基本粒子——原子構成的．所謂密度，就是物體單位體積中所包含的這種絕對原子的多少；而所謂質量，就是整個物體所包含的這種絕對原子的多少．所以牛頓認為，測量物體的質量，實質上就是測量物體內部原子的數(shù)目．在描述擺在媒質中的振動時，牛頓就曾明確寫道：“作用于物體內部粒子上的阻力，是和物質之量、即受阻力的粒子的數(shù)目成正比的．”可見，牛頓的質量定義本身的邏輯關系是清楚的，并未陷入循環(huán)的迷宮．為了方便，我們把用原子數(shù)目表達的質量概念叫做原子物質質量，簡稱為原子質量．也有人反對原子物質質量說：①原子還可以分為質子、中子和電子，而不同種物質的原子內部，包含的質子、中子和電子的數(shù)目是不同的．因此，對于同種物質，還可以通過比較原子的數(shù)目比較質量的大小，而對于不同種物質，原子物質質量就失去意義而成為錯誤的了．②凡是定義一個物理量，必須相應地規(guī)定它的能夠實施的量度辦法．但迄今為止，任何人都無法通過測定物體內部原子的數(shù)目來確定物體的質量．我認為，上述分析確有道理，故原子物質質量的概念應淘汰．1.2.3也有人不同意批判原子物質質量，他們辯解說：應該用發(fā)展的眼光看待一種學說．不同種的原子中雖然包含的質子、中子和電子的數(shù)目不同，但所包含的質子、中子和電子的內部結構是相同的，所以可以把物質之量理解為物體內部包含的質子、中子和電子數(shù)目的多少．為了方便起見，我們把用質子、中子、電子這些基本粒子的數(shù)目表達的質量概念叫做粒子物質質量，簡稱為粒子質量．也有人反對粒子物質質量說：①既然要通過物質結構的層次來理解質量，那么就應該考慮到，物質結構的層次并不終止于質子、中子和電子，應該考慮到物質還有“場”這類存在的形式．因此，這種用“絕對質子”、“絕對中子”、“絕對電子”來代替“絕對原子”的想法，有很大的局限性．特別是，粒子物質質量無法解決“場”的質量問題．②無法規(guī)定粒子物質質量的能夠實施的量度辦法．我認為，上述意見②正確，理由同本節(jié)的1.2.2中的②．但上述意見①的前半段錯誤，理由是：所有不同物質中所包含的質子、中子和電子的結構都相同．因此，質子、中子和電子的數(shù)目可以表示出不同種物質的多少，也就是說，粒子物質質量可糾正原子物質質量的錯誤．但是，我仍然認為粒子物質質量是錯誤的．因為上述意見①的后半段提出的場的質量問題，這在本節(jié)2虛物質（場能）的能量，本節(jié)3物質和場能的關系以及本專著第2章第187～191頁第13節(jié)中的2.5里都有詳述．1.3慣性質量和引力質量1.3.1慣性質量慣性是描述物體保持原有運動狀態(tài)不變的趨勢的物理量；質量是描述物體內部物質多少的物理量．因此，慣性和質量并非同一概念．但是慣性和質量卻有著緊密的聯(lián)系，即根據(jù)第01節(jié)中表達慣性定律的(01.6)式知，在常力F的作用下，慣性大小I和質量大小m嚴格地成正比．換句話說，在F不變的情況下，質量增加一倍，慣性就增加一倍．因此，在描述物質的多少上，慣性和質量是完全相同的．于是，有一些人就把質量定義為慣性大小的量度，并且叫做慣性質量，記做．這樣就把慣性概念和質量概念混為一談了．然而，慣性和質量也有著嚴格的區(qū)別，即對于一個確定量的物體，慣性與所受外力成反比，若所受外力增大一倍，則慣性就縮小一半；而質量卻與所受的外力無關．因此，在物體所受外力不同時，就無法用慣性準確地表示物質的多少了．這就是說，慣性質量的概念是錯誤的．慣性質量的錯誤與體積質量、重力質量的錯誤完全相同，不知道批判牛頓的物質質量概念的科學家們?yōu)槭裁床唤邮荏w積質量、重力質量錯誤的教訓而重蹈其覆轍呢？慣性質量的根本錯誤是改變了牛頓運動定律的性質．如，定義慣性質量的人們認為：滿足牛頓第二運動定律Fma的質量m是慣性質量，是慣性大小的量度．但是，牛頓在發(fā)現(xiàn)牛頓第二運動定律Fma時，把其中的質量m確定為物質多少的量度，并沒有確定為慣性大小的量度．因此，把Fma中描述物質多少的質量m改為慣性大小的量度以后，就改變了Fma中的質量m原來的含義，從而改變了牛頓第二運動定律Fma原來的性質．因此就使得牛頓第二運動定律不再是原來的牛頓第二運動定律而成為一條新的定律了．1.3.2引力質量引力是描述物體對其他物體產生吸引作用的大小和方向的物理量；質量是描述物體內部物質多少的物理量．因此，引力和質量并非同一概念．但是引力和質量卻有著緊密的聯(lián)系，即根據(jù)牛頓萬有引力定律知，在被吸引的物體M確定以后，物體m對M產生的引力的大小F和物體m的質量m嚴格地成正比．換句話說，質量m增加一倍，產生的引力大小F就增加一倍．因此，在描述物質的多少上，引力大小和質量是完全相同的．于是，有些人就把物體m的質量定義為物體m對物體M產生引力大小的量度，并叫做引力質量，記做mg．這樣就把引力概念和質量概念混為一談了．然而，引力和質量也有著嚴格的區(qū)別，即對于一個確定量的物體m，它對物體M產生的引力大小F與物體M的質量M成正比，若物體M的質量M增大一倍，則F就增大一倍；而m的質量m卻與M無關．因此，在被吸引的物體M不確定時，就無法用引力準確地表示物質的多少了．這就是說，引力質量的概念是錯誤的．引力質量的錯誤與體積質量、重力質量的錯誤完全相同，不知道批判牛頓的物質質量概念的科學家們?yōu)槭裁床唤邮荏w積質量、重力質量錯誤的教訓而重蹈其覆轍呢？引力質量的根本錯誤是改變了牛頓萬有引力定律的性質．例如，定義引力質量的人們認為：滿足牛頓萬有引力定律的質量m是引力質量，是物體m對物體M產生的引力大小的量度．但是，牛頓在發(fā)現(xiàn)牛頓萬有引力定律時，把其中的質量m確定為物質多少的量度，并沒有確定為引力大小的量度．因此，把中描述物質多少的質量m改為引力大小的量度以后，就改變了中的質量m原來的含義，從而改變了牛頓萬有引力定律原來的性質．因此就使得牛頓萬有引力定律不再是原來的牛頓萬有引力定律而成為一條新的定律了．1.3.3剖析矛盾①經典力學認為，慣性質量mi服從牛頓運動定律Fma．所以物體m受到地心M的引力F作用時有，其中為引力加速度．經典力學認為，引力質量mg服從牛頓萬有引力定律．所以物體m受到地心M的引力F作用時有，其中M為地球的質量，為物體m到地心的距離，K為萬有引力恒量．因為和中的F都是M對m的引力，故有，所以有．因為，，K，M都是常數(shù)，所以是常數(shù)．即mg和mi嚴格地成正比．因此追捧慣性質量和引力質量的人們就認為：只要選取適當?shù)膯挝唬|量mg和慣性質量mi的比例系數(shù)就可以為1，從而使mg和mi在數(shù)值上相等．因此，在實際應用中，就不再區(qū)分為慣性質量和引力質量而統(tǒng)稱為質量，并統(tǒng)一記做m．事實上，“嚴格地成正比”和“相等”是性質完全不同的兩個概念．對于兩個同名數(shù)的物理量來說，“相等”僅僅是“嚴格地成正比”中選取相同的單位并且比例系數(shù)為1時的特例．當選取的單位不同、比例系數(shù)為1時也不能是相等．比如：A人的錢的數(shù)目a恒為B人的錢錢的數(shù)目b的10倍，這說明a與b嚴格地成正比．可是，如果a和b都選元做單位，則有(無名數(shù))．如果選取適當單位，例如a選元做單位而b選角做單位，那么有（元／角）．此時，盡管比例系數(shù)為1，但是a與b本質上仍不相等．對于不同名數(shù)的兩個物理量，“嚴格地成正比”還有意義，“相等”卻不再有意義．例如：人勻速行走時每分鐘走60米，這說明路程s和時間t(m/min)．若選取適當單位，如路程s選米（m）而時間t選秒（s），則有(m/s)．此時，盡管比例系數(shù)為1，但1m決不等于1同樣的道理，如果mi和mg雖然嚴格地成正比而本質上并不相等（不妨設mg1000mi），那么，若mi和mg都選kg做單位，則有1000（無名數(shù)）．若選取適當單位，如mg選kg而mi選g，則有1(kg/g)．此時，盡管比例系數(shù)為1，但mi和mg本質上也不相等．所謂慣性質量mi和所謂引力質量mg本質上的相等并不是靠選取適當單位得來的，也不是不同屬性（慣性和引力）在數(shù)值上的巧合，而是同一屬性（物質的多少）在不同方面（受力方面和施力方面）的表現(xiàn)．即物體所包含的物質的多少可以通過受力時的慣性大小表現(xiàn)出來，也可以通過施力時的引力大小表現(xiàn)出來．甚至，在地球的同一地點，還可以通過重力大小表現(xiàn)出來；密度相同的同種物體，還可以通過體積大小表現(xiàn)出來．物質的多少（即質量）之所以可以通過慣性、引力、重力、體積表現(xiàn)出來，是因為質量在一定條件下與它們分別成正比．但是，不能因為質量在一定條件下與它們分別成正比，就把質量說成是慣性、引力、重力、體積的量度．牛頓等人已把質量和重力、體積區(qū)分開來是歷史的進步，后人又將質量與慣性、引力混為一談則是歷史的倒退．②常利編、北京教育出版社1987年11月第1版的名著《牛頓運動定律》等眾多文獻都是由推導出的，并將中的質量m保留在中，因此，和中的質量m本來就是同一個．上述眾多文獻將中的m改為mi，把中的m改為mg，并聲明mi和mg是性質完全不同的兩個概念就與自己的上述推導發(fā)生了矛盾．③牛頓定義的密度是表明物體結構疏密程度的物理量．用數(shù)學公式來表達則為物體的質量m與物體的體積V之比，即為．因此叫做物質質量m．一些人將m分別改為mi和mg后，密度就得被改為單位體積內的慣性大小和單位體積內的引力大小，這就無法再表示物體結構的疏密程度了．所以是講不通的．1.4準確科學的質量概念目前，物質質量、慣性質量和引力質量同時充斥于各式各樣的教材，塞滿了形形色色的專著，被真真假假的科學家們隨心所欲地使用著．例如，當涉及物體