大學(xué)力學(xué)物理附件-質(zhì)量及其起源課件

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(yè)(2008)質(zhì)量及其起源11.什么是質(zhì)量？質(zhì)量是物體所含物質(zhì)多少的量度(物理學(xué)名詞字典)。按Newton第二定律：f=ma，“質(zhì)量是把施加在物體上的力和所引起的加速度聯(lián)系起來的一種特性?！?Halliday第六版)---沒有質(zhì)量的物體不知道怎樣運(yùn)動(dòng)！在一般教科書中它定義為：物體運(yùn)動(dòng)慣性的量度，或稱慣性質(zhì)量。是通過動(dòng)力學(xué)測(cè)量的。按Newton的萬(wàn)有引力定律：f=Gm1m2/r2,質(zhì)量是物體引力大小的量度，稱為引力質(zhì)量。是通過靜力學(xué)測(cè)量的。1.什么是質(zhì)量？2按Newton的描述：質(zhì)量（物質(zhì)的量）為物質(zhì)的密度乘上其體積。這個(gè)說法看上去也許太簡(jiǎn)單了，但其實(shí)大有深意：(1)它指明物質(zhì)在量上的區(qū)別在于其致密度(density）；(2)物質(zhì)的量是體積那樣的廣延量，即質(zhì)量具有可加性。質(zhì)量相加性在一些文獻(xiàn)(如諾獎(jiǎng)得主Wilczek)中，被譽(yù)為牛頓第零定律。按Newton的描述：質(zhì)量（物質(zhì)的量）為物質(zhì)的密度3以上是經(jīng)典物理學(xué)對(duì)質(zhì)量的描寫。Einstein用能量來描寫質(zhì)量---質(zhì)能關(guān)系Einstein的質(zhì)能公式E=mc2可以寫成：m=E/c2，后者表示可以用能量來解釋質(zhì)量。事實(shí)上Einstein一開始就知道這一點(diǎn)，他在1905年的論文所用的題目是：“物體的慣性是否依賴于其所含的能量？”，并導(dǎo)出了m=E/c2而非E=mc2。Einstein考慮的是基本物理學(xué)而非原子彈。以上是經(jīng)典物理學(xué)對(duì)質(zhì)量的描寫。42.引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量---相對(duì)論等價(jià)原理

慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是一回事嗎？當(dāng)慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量成正比時(shí)，我們總可以選取它們的量度標(biāo)準(zhǔn)，使二者相等。所以,“慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量成正比”和”慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等”是等價(jià)的。實(shí)驗(yàn)證明，任何物體的慣性質(zhì)量同它的引力質(zhì)量嚴(yán)格地成正比。這個(gè)結(jié)論經(jīng)受了300年來精確的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，精確度從牛頓時(shí)代的10-3發(fā)展到10-5(1830年)、3×10-9(1922年)、1.3×10-11(1964年)和10-12(1971年)。2.引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量---相對(duì)論等價(jià)原理所以,“5但物體的引力質(zhì)量是不是就是它的慣性質(zhì)量呢？或者說，慣性是否就是引力的源泉呢？當(dāng)然不是。慣性是物體抵抗外力改變其機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的本領(lǐng)，引力的源泉是物體產(chǎn)生引力場(chǎng)的本領(lǐng)，它們是物體兩種完全不同的屬性。Einstein曾以地球和石頭間的引力為例，來說明引力和慣性是兩種完全不同的物理屬性。他說：“地球以重力吸引石頭而對(duì)其慣性質(zhì)量毫無所知．地球的‘召喚’力與引力質(zhì)量有關(guān)，而石頭所‘回答’的運(yùn)動(dòng)則與慣性質(zhì)量有關(guān)?！钡矬w的引力質(zhì)量是不是就是它的慣性質(zhì)量呢？或者說，6既然慣性和引力是兩種不同的屬性，而它們之間卻存在嚴(yán)格的正比關(guān)系，是否它們是物體同一本質(zhì)在不同方面的表現(xiàn)呢？回答是肯定的。廣義相對(duì)論指出，物體的慣性和引力性質(zhì)產(chǎn)生于同一來源。在廣義相對(duì)論中，有一些參量一方面表現(xiàn)為物體的慣性，另一方面又自然而然地表現(xiàn)為引力場(chǎng)的源泉。因此，目前普遍認(rèn)為：物體的慣性和引力性質(zhì)來源于物體的同一本質(zhì)。愛因斯坦就曾把這兩種質(zhì)量的等同作為他建立廣義相對(duì)論的出發(fā)點(diǎn)。既然慣性和引力是兩種不同的屬性，而它們之間卻存在嚴(yán)73.質(zhì)量守恒嗎？

經(jīng)典力學(xué)里關(guān)于運(yùn)動(dòng)的第零定律是質(zhì)量守恒!(由于它過于基本所以牛頓沒有明確指出!)物體的質(zhì)量被認(rèn)為是獨(dú)立于它的速度和任何施加于它的外力的，總質(zhì)量既不產(chǎn)生也不消滅，只是在物體相互作用的時(shí)候重新分配!(如今我們知道這種說法并不十分正確!)質(zhì)量守恒的想法在近代物理中是錯(cuò)誤的。量子色動(dòng)力學(xué)的一大成就就是用質(zhì)量嚴(yán)格為零的膠子和質(zhì)量非常小的上夸克u、下夸克d構(gòu)建了在一般物質(zhì)中占質(zhì)量99%的質(zhì)子(uud)和中子(udd)。3.質(zhì)量守恒嗎？質(zhì)量守恒的想法在近代物理中是錯(cuò)誤84.質(zhì)量的起源---我們從哪里來?物質(zhì)的質(zhì)量來自原子，原子質(zhì)量主要來自核子（質(zhì)子和中子），核子由夸克和膠子組成。而由夸克組成的基本粒子可以有不同的質(zhì)量。為什么基本粒子會(huì)有各自不同的質(zhì)量呢？根據(jù)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，空間被一個(gè)“Higgs場(chǎng)”所充滿，粒子通過與這個(gè)場(chǎng)相互作用而獲得質(zhì)量。與Higgs場(chǎng)作用強(qiáng)的質(zhì)量就大，反之質(zhì)量就小。這個(gè)Higgs場(chǎng)至少聯(lián)系一個(gè)新的粒子，稱為Higgs玻色子(Higgs子)。1988年諾獎(jiǎng)得主萊德曼稱它為“上帝粒子”。但Higgs子的存在尚未被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。4.質(zhì)量的起源---我們從哪里來?為什么基本粒子9等待LHC(大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī))尋找到HiggsBosonLHC(largeHadronCollider)位于法國(guó)與瑞士交界處（日內(nèi)瓦附近）的歐核中心(CERN)，該中心擁有占世界半數(shù)的粒子物理學(xué)家。CERN是每秒鐘都可能產(chǎn)生奇跡的地方，也是WorldWideWeb真正的發(fā)源處。LHC從9年前開始建造，計(jì)劃耗資39億歐元。主體位于地下100米深的一條周長(zhǎng)達(dá)27公里的環(huán)形隧道里，走完全程要花4個(gè)多小時(shí)。它可以把二個(gè)質(zhì)子束流分別加速到7TeV(7×1012eV)的超高能量并使之對(duì)撞，以產(chǎn)生新的粒子，和模擬早期宇宙的生成。等待LHC(大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī))尋找到HiggsBoson10Higgs玻色子被認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)在宇宙大爆炸之初，以后會(huì)瞬間消亡。但我們?nèi)晕丛谟钪嬷姓业剿?/p>

LHC最近很快就會(huì)運(yùn)行，尋找Higgs玻色子是其研究目的之一。Higgs玻色子被認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)在宇宙大爆炸之初，以后11但是要得到確切結(jié)果，可能須等待幾年。因?yàn)長(zhǎng)HC會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，達(dá)每年15PB(即1500萬(wàn)GB)。這種規(guī)模的數(shù)據(jù)分析不能在個(gè)人電腦上運(yùn)行。CERN正在開發(fā)將世界各地的主要計(jì)算中心連接起來的計(jì)算網(wǎng)格。要靠全世界數(shù)千科學(xué)家的努力，LHC才能告訴我們是否找到Higgs子的消息。

有了Higgs子，物質(zhì)質(zhì)量起源之謎將會(huì)揭開。但是要得到確切結(jié)果，可能須等待幾年。因?yàn)長(zhǎng)HC會(huì)產(chǎn)12Thankyou!Thankyou!Thankyou!Thank13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(yè)(2008)質(zhì)量及其起源141.什么是質(zhì)量？質(zhì)量是物體所含物質(zhì)多少的量度(物理學(xué)名詞字典)。按Newton第二定律：f=ma，“質(zhì)量是把施加在物體上的力和所引起的加速度聯(lián)系起來的一種特性?！?Halliday第六版)---沒有質(zhì)量的物體不知道怎樣運(yùn)動(dòng)！在一般教科書中它定義為：物體運(yùn)動(dòng)慣性的量度，或稱慣性質(zhì)量。是通過動(dòng)力學(xué)測(cè)量的。按Newton的萬(wàn)有引力定律：f=Gm1m2/r2,質(zhì)量是物體引力大小的量度，稱為引力質(zhì)量。是通過靜力學(xué)測(cè)量的。1.什么是質(zhì)量？15按Newton的描述：質(zhì)量（物質(zhì)的量）為物質(zhì)的密度乘上其體積。這個(gè)說法看上去也許太簡(jiǎn)單了，但其實(shí)大有深意：(1)它指明物質(zhì)在量上的區(qū)別在于其致密度(density）；(2)物質(zhì)的量是體積那樣的廣延量，即質(zhì)量具有可加性。質(zhì)量相加性在一些文獻(xiàn)(如諾獎(jiǎng)得主Wilczek)中，被譽(yù)為牛頓第零定律。按Newton的描述：質(zhì)量（物質(zhì)的量）為物質(zhì)的密度16以上是經(jīng)典物理學(xué)對(duì)質(zhì)量的描寫。Einstein用能量來描寫質(zhì)量---質(zhì)能關(guān)系Einstein的質(zhì)能公式E=mc2可以寫成：m=E/c2，后者表示可以用能量來解釋質(zhì)量。事實(shí)上Einstein一開始就知道這一點(diǎn)，他在1905年的論文所用的題目是：“物體的慣性是否依賴于其所含的能量？”，并導(dǎo)出了m=E/c2而非E=mc2。Einstein考慮的是基本物理學(xué)而非原子彈。以上是經(jīng)典物理學(xué)對(duì)質(zhì)量的描寫。172.引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量---相對(duì)論等價(jià)原理

慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是一回事嗎？當(dāng)慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量成正比時(shí)，我們總可以選取它們的量度標(biāo)準(zhǔn)，使二者相等。所以,“慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量成正比”和”慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等”是等價(jià)的。實(shí)驗(yàn)證明，任何物體的慣性質(zhì)量同它的引力質(zhì)量嚴(yán)格地成正比。這個(gè)結(jié)論經(jīng)受了300年來精確的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，精確度從牛頓時(shí)代的10-3發(fā)展到10-5(1830年)、3×10-9(1922年)、1.3×10-11(1964年)和10-12(1971年)。2.引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量---相對(duì)論等價(jià)原理所以,“18但物體的引力質(zhì)量是不是就是它的慣性質(zhì)量呢？或者說，慣性是否就是引力的源泉呢？當(dāng)然不是。慣性是物體抵抗外力改變其機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的本領(lǐng)，引力的源泉是物體產(chǎn)生引力場(chǎng)的本領(lǐng)，它們是物體兩種完全不同的屬性。Einstein曾以地球和石頭間的引力為例，來說明引力和慣性是兩種完全不同的物理屬性。他說：“地球以重力吸引石頭而對(duì)其慣性質(zhì)量毫無所知．地球的‘召喚’力與引力質(zhì)量有關(guān)，而石頭所‘回答’的運(yùn)動(dòng)則與慣性質(zhì)量有關(guān)。”但物體的引力質(zhì)量是不是就是它的慣性質(zhì)量呢？或者說，19既然慣性和引力是兩種不同的屬性，而它們之間卻存在嚴(yán)格的正比關(guān)系，是否它們是物體同一本質(zhì)在不同方面的表現(xiàn)呢？回答是肯定的。廣義相對(duì)論指出，物體的慣性和引力性質(zhì)產(chǎn)生于同一來源。在廣義相對(duì)論中，有一些參量一方面表現(xiàn)為物體的慣性，另一方面又自然而然地表現(xiàn)為引力場(chǎng)的源泉。因此，目前普遍認(rèn)為：物體的慣性和引力性質(zhì)來源于物體的同一本質(zhì)。愛因斯坦就曾把這兩種質(zhì)量的等同作為他建立廣義相對(duì)論的出發(fā)點(diǎn)。既然慣性和引力是兩種不同的屬性，而它們之間卻存在嚴(yán)203.質(zhì)量守恒嗎？

經(jīng)典力學(xué)里關(guān)于運(yùn)動(dòng)的第零定律是質(zhì)量守恒!(由于它過于基本所以牛頓沒有明確指出!)物體的質(zhì)量被認(rèn)為是獨(dú)立于它的速度和任何施加于它的外力的，總質(zhì)量既不產(chǎn)生也不消滅，只是在物體相互作用的時(shí)候重新分配!(如今我們知道這種說法并不十分正確!)質(zhì)量守恒的想法在近代物理中是錯(cuò)誤的。量子色動(dòng)力學(xué)的一大成就就是用質(zhì)量嚴(yán)格為零的膠子和質(zhì)量非常小的上夸克u、下夸克d構(gòu)建了在一般物質(zhì)中占質(zhì)量99%的質(zhì)子(uud)和中子(udd)。3.質(zhì)量守恒嗎？質(zhì)量守恒的想法在近代物理中是錯(cuò)誤214.質(zhì)量的起源---我們從哪里來?物質(zhì)的質(zhì)量來自原子，原子質(zhì)量主要來自核子（質(zhì)子和中子），核子由夸克和膠子組成。而由夸克組成的基本粒子可以有不同的質(zhì)量。為什么基本粒子會(huì)有各自不同的質(zhì)量呢？根據(jù)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，空間被一個(gè)“Higgs場(chǎng)”所充滿，粒子通過與這個(gè)場(chǎng)相互作用而獲得質(zhì)量。與Higgs場(chǎng)作用強(qiáng)的質(zhì)量就大，反之質(zhì)量就小。這個(gè)Higgs場(chǎng)至少聯(lián)系一個(gè)新的粒子，稱為Higgs玻色子(Higgs子)。1988年諾獎(jiǎng)得主萊德曼稱它為“上帝粒子”。但Higgs子的存在尚未被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。4.質(zhì)量的起源---我們從哪里來?為什么基本粒子22等待LHC(大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī))尋找到HiggsBosonLHC(largeHadronCollider)位于法國(guó)與瑞士交界處（日內(nèi)瓦附近）的歐核中心(CERN)，該中心擁有占世界半數(shù)的粒子物理學(xué)家。CERN是每秒鐘都可能產(chǎn)生奇跡的地方，也是WorldWideWeb真正的發(fā)源處。LHC從9年前開始建造，計(jì)劃耗資39億歐元。主體位于地下100米深的一條周長(zhǎng)達(dá)27公里的環(huán)形隧道里，走完全程要花4個(gè)多小時(shí)。它可以把二個(gè)質(zhì)子束流分別加速到7TeV(7×1012eV)的超高能量并使之對(duì)撞，以產(chǎn)生新的粒子，和模擬早期宇宙的生成。等待LHC(大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī))尋找到HiggsBoson23Higgs玻色子被認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)在宇宙大爆炸之初，以后會(huì)瞬間消亡。但我們?nèi)晕丛谟钪嬷姓业剿?/p>

LHC最近很快就會(huì)運(yùn)行，尋找Higgs玻色子是其研究目的之一。Higgs玻色子被認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)在宇宙大爆炸之初，以后24