大學(xué)力學(xué)物理附件-質(zhì)量及其起源

1、質(zhì)量及其起源什么是質(zhì)量？慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是一回事嗎？3. 質(zhì)量守恒嗎？4. 質(zhì)量的起源-我們從哪里來？部分內(nèi)容摘自：曹則賢，質(zhì)量與質(zhì)量的起源物理37卷,355頁(2008)1.什么是質(zhì)質(zhì)量？質(zhì)量是物物體所含含物質(zhì)多多少的量量度(物理學(xué)名名詞字典典)。按Newton第二定律律：f =ma，“質(zhì)量是把把施加在在物體上上的力和和所引起起的加速速度聯(lián)系系起來的的一種特特性?！?Halliday第六版)-沒有質(zhì)量量的物體體不知道道怎樣運(yùn)運(yùn)動(dòng)！在一般教教科書中中它定義義為：物體運(yùn)動(dòng)動(dòng)慣性的的量度，或稱慣性質(zhì)量量。是通過過動(dòng)力學(xué)學(xué)測量的的。按Newton的萬有引引力定律律：f=Gm1m2/r2,質(zhì)量是物物

2、體引力力大小的的量度，稱為引力質(zhì)量量。是通過過靜力學(xué)學(xué)測量的的。按Newton的描述：質(zhì)量（物物質(zhì)的量量）為物物質(zhì)的密密度乘上上其體積積。這個(gè)說法法看上去去也許太太簡單了了，但其其實(shí)大有有深意：(1)它指明物物質(zhì)在量量上的區(qū)區(qū)別在于于其致密密度(density）；(2)物質(zhì)的量量是體積積那樣的的廣延量量，即質(zhì)質(zhì)量具有有可加性性。質(zhì)量相加加性在一一些文獻(xiàn)獻(xiàn)(如諾獎(jiǎng)得得主Wilczek)中，被譽(yù)譽(yù)為牛頓頓第零定定律。以上是經(jīng)經(jīng)典物理理學(xué)對質(zhì)質(zhì)量的描描寫。Einstein用能量來來描寫質(zhì)質(zhì)量-質(zhì)能關(guān)系系Einstein的質(zhì)能公公式E =mc2可以寫成成：m =E/c2，后者表示示可以用用能量來來解釋

3、質(zhì)質(zhì)量。事實(shí)上Einstein一開始就就知道這這一點(diǎn)，他在1905年的論文文所用的的題目是是：“物物體的慣慣性是否否依賴于于其所含含的能量量？”，并導(dǎo)出出了m =E/c2而非E =mc2。Einstein考慮的是是基本物物理學(xué)而而非原子子彈。2.引力質(zhì)量量和慣性性質(zhì)量-相對論等等價(jià)原理理慣性質(zhì)量量和引力力質(zhì)量是一回事事嗎？當(dāng)慣性質(zhì)質(zhì)量和引引力質(zhì)量量成正比時(shí)時(shí)，我們們總可以以選取它它們的量量度標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，使二二者相等等。所以, “慣性質(zhì)量量與引力力質(zhì)量成成正比”和”慣性質(zhì)量量與引力力質(zhì)量相相等”是等價(jià)價(jià)的。實(shí)驗(yàn)證明明，任何何物體的的慣性質(zhì)質(zhì)量同它它的引力力質(zhì)量嚴(yán)嚴(yán)格地成成正比。這個(gè)結(jié)結(jié)論經(jīng)受受了30

4、0年來精確確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)檢驗(yàn)，精確度度從牛頓頓時(shí)代的的10-3發(fā)展到10-5(1830年)、310-9(1922年)、1.310-11(1964年)和10-12(1971年)。但物體的引引力質(zhì)量量是不是是就是它它的慣性性質(zhì)量呢呢？或者說說，慣性性是否就就是引力力的源泉泉呢？當(dāng)然不是是。慣性性是物體體抵抗外外力改變變其機(jī)械械運(yùn)動(dòng)狀狀態(tài)的本本領(lǐng)，引引力的源源泉是物物體產(chǎn)生生引力場場的本領(lǐng)領(lǐng)，它們是物物體兩種種完全不不同的屬屬性。Einstein曾以地球球和石頭頭間的引引力為例例，來說說明引力力和慣性性是兩種種完全不不同的物物理屬性性。他說說：“地地球以重重力吸引引石頭而而對其慣慣性質(zhì)量量毫無所所知地地

5、球的召喚力與引引力質(zhì)量量有關(guān)，而石頭頭所回回答的的運(yùn)動(dòng)則則與慣性性質(zhì)量有有關(guān)?！奔热粦T性性和引力力是兩種種不同的的屬性，而它們們之間卻卻存在嚴(yán)嚴(yán)格的正正比關(guān)系系，是否否它們是是物體同同一本質(zhì)質(zhì)在不同同方面的的表現(xiàn)呢呢？回答是肯肯定的。廣義相相對論指指出，物物體的慣慣性和引引力性質(zhì)質(zhì)產(chǎn)生于于同一來來源。在在廣義相相對論中中，有一一些參量量一方面面表現(xiàn)為為物體的的慣性，另一方方面又自自然而然然地表現(xiàn)現(xiàn)為引力力場的源源泉。因此，目目前普遍遍認(rèn)為：物體的的慣性和和引力性性質(zhì)來源源于物體體的同一一本質(zhì)。愛因斯坦坦就曾把把這兩種種質(zhì)量的的等同作作為他建建立廣義義相對論論的出發(fā)發(fā)點(diǎn)。3.質(zhì)量守恒恒嗎？經(jīng)典力

6、學(xué)學(xué)里關(guān)于于運(yùn)動(dòng)的的第零定定律是質(zhì)質(zhì)量守恒恒!(由于它過過于基本本所以牛牛頓沒有有明確指指出!)物體的質(zhì)質(zhì)量被認(rèn)認(rèn)為是獨(dú)獨(dú)立于它它的速度度和任何何施加于于它的外外力的，總質(zhì)量量既不產(chǎn)產(chǎn)生也不不消滅，只是在在物體相相互作用用的時(shí)候候重新分分配!(如今我們們知道這這種說法法并不十十分正確確!)質(zhì)量守恒恒的想法法在近代代物理中中是錯(cuò)誤誤的。量量子色動(dòng)動(dòng)力學(xué)的的一大成成就就是是用質(zhì)量量嚴(yán)格為為零的膠膠子和質(zhì)質(zhì)量非常常小的上上夸克u、下夸克克d構(gòu)建了在在一般物物質(zhì)中占占質(zhì)量99%的質(zhì)子(uud)和中子(udd)。4.質(zhì)量的起起源-我們從哪哪里來?物質(zhì)的質(zhì)質(zhì)量來自自原子，原子質(zhì)質(zhì)量主要要來自核核子（質(zhì)質(zhì)子

7、和中中子），核子由由夸克和和膠子組組成。而而由夸克克組成的的基本粒粒子可以以有不同同的質(zhì)量量。為什么基基本粒子子會(huì)有各各自不同同的質(zhì)量量呢？根據(jù)粒子子物理的的標(biāo)準(zhǔn)模模型，空空間被一一個(gè)“Higgs場”所充充滿，粒粒子通過過與這個(gè)個(gè)場相互互作用而而獲得質(zhì)質(zhì)量。與與Higgs場作用強(qiáng)強(qiáng)的質(zhì)量量就大，反之質(zhì)質(zhì)量就小小。這個(gè)個(gè)Higgs場至少聯(lián)聯(lián)系一個(gè)個(gè)新的粒粒子，稱稱為Higgs玻色子(Higgs子)。1988年諾獎(jiǎng)得得主萊德德曼稱它它為“上上帝粒子子”。但Higgs子的存在在尚未被被實(shí)驗(yàn)所所證實(shí)。等待LHC(大型強(qiáng)子子對撞機(jī)機(jī))尋找到HiggsBosonLHC(largeHadronCollide

8、r)位于法國國與瑞士士交界處處（日內(nèi)內(nèi)瓦附近近）的歐歐核中心心(CERN)，該中心心擁有占占世界半半數(shù)的粒粒子物理理學(xué)家。CERN是每秒鐘鐘都可能能產(chǎn)生奇奇跡的地地方，也也是WorldWide Web真正的發(fā)發(fā)源處。LHC從9年前開始始建造，計(jì)劃耗耗資39億歐元。主體位位于地下下100米深的一一條周長長達(dá)27公里的環(huán)環(huán)形隧道道里，走走完全程程要花4個(gè)多小時(shí)時(shí)。它可以把把二個(gè)質(zhì)質(zhì)子束流流分別加加速到7TeV (71012eV)的超高能能量并使使之對撞撞，以產(chǎn)產(chǎn)生新的的粒子，和模擬擬早期宇宇宙的生生成。Higgs玻色子被被認(rèn)為會(huì)會(huì)出現(xiàn)在在宇宙大大爆炸之之初，以以后會(huì)瞬瞬間消亡亡。但我我們?nèi)晕次丛谟钪嬷嬷姓业降剿?。LHC最近很快快就會(huì)運(yùn)運(yùn)行，尋找Higgs玻色子是是其研究究目的之之一。但是要得得到確切切結(jié)果，可能須須等待幾幾年。因因?yàn)長HC會(huì)產(chǎn)生海海量數(shù)據(jù)據(jù)，達(dá)每每年15PB(即1500萬GB)。這種規(guī)規(guī)模的數(shù)數(shù)據(jù)分析析不能在在個(gè)人電電