按照公认的说法,质量是反映物体运动状态变化的难易程度,即惯性的度量。有了质量才有惯性,质量决定惯性。根据标准模型,质量肯定不是来源于惯性,它是来自于“希格斯场”,人们常说的“上帝粒子”就是希格斯场的场量子化激发,希格斯场(粒子)引起自发对称性破缺,将能量赋予粒子质量。年3月已在欧洲大型强子对撞机上发现了“上帝粒子”。
希格斯粒子存在的实体牛顿对惯性、质量和引力的认识
而按牛顿力学(牛顿第二定律)理解,惯性是来源于质量,质量是惯性的唯一量度,惯性大小是物体自身质量大小的直接体现,惯性是物体自身的固有属性,与别的物体无关。
随后,牛顿发现万有引力定律,这个定律表明质量是物体之间吸引力大小的度量,即质量越大,它们之间的引力越大。为了区别于惯性量度,人们把这个质量称为“引力质量”,而把惯性量度的质量称为“惯性质量”。牛顿并没有把两种质量联系起来,他把它们看成是相互独立的物理现象。
马赫对惯性的看法――马赫原理
十九世纪奥地利物理学家恩斯特·马赫对牛顿的“惯性”的概念并不满意,对此提出批判,他认为惯性不是物体自身的固有属性,而是宇宙中其他物质作用的结果,在非惯性系中物体所受的“惯性力”不是虚拟的(在惯性系中是感不到惯性力的),而是一种引力表现,是宇宙中其他物质对它的总作用。也就是说加速物质会受到惯性力,是因为它相对全宇宙所有物质加速,这就相当于全宇宙物质对于它作反向加速,因而对该物体一个作用。马赫认为惯性应该是一种现象,而非属性,其背后应该有更深刻的本质东西。
但马赫认为在一个没有任何引力作用的太空中(实际上绝不存在这样一个地方),物体就不会有惯性的论断也是轻率的。因为无论什么情况下(包括没有任何引力的太空),如果物体没有惯性,就意味着没有规律,它会无缘无故地动起来,也会无缘无故地停下来;给它一个力,不需要任何启动时间就会动起来,而撤走力后,会即时停止运动,并没有“减速时间”,因而否定了真正的运动和空间的物质性。从骨子里也否定了事物之间的相互联系,陷入了偏面、孤立、静止的形而上学。
爱因斯坦的看法
爱因斯坦凭着自身独特的敏锐洞察力,从人们习以为常的引力质量总是和惯性质量成正比的事实出发,总结了前人对惯性的认识,特别是总结了马赫的认识(爱因斯坦称其思想为“马赫原理”):爱因斯坦认为引力质量和惯性质量是等效的,局域引力(引力不是均匀的)等效于虚拟的“惯性力”,如果选取合适的物理单位,引力质量和惯性质量的比例系数可以变为1,也就是说引力质量等于惯性质量,引力就是惯性力。在此认识基础上,他进一步强化了这种等效:提出局域引力场(或者叫无限小的弯曲时空)等效于惯性场(系),即不仅仅是力的等效,而是参考系内的一切等效,一切物理定律等效,爱因斯坦最终以此为基本原理建立起广义相对论。
广义相对论的核心可以用两句话来概括:物质告诉时空怎样弯曲,时空告诉物质怎样运动。
时空弯曲形成了引力场,产生了引力,而引力质量越大,时空的弯曲程度越大,引力场就越强,引力就越大。从这个意义上说,引力质量又是时空弯曲程度的量度,那么根据等效原理,惯性质量也会有时空弯曲效应。这就是狭义相对论中所说高速运动的物体会出现“钟慢尺缩”等时空弯曲现象的原因。总之在广义相对论中,惯性质量等于引力质量,所谓的引力就是惯性力(上面说过,只有在非惯性系中才能体现出惯性力,因此非惯性系可以看作是惯性系加上引力),惯性力是虚拟假想的效应,那引力就也是一种效应。
爱因斯坦尽管认为惯性与引力有关,但他并不认为引力是万物之间的相互作用,他认为引力只不过是物质本身引起的时空弯曲的几何效应,与其他物质无关。
因而根据等效原理,惯性力同样也是物质自身引起的,与其他物质无关。说白了,惯性依然是物质自身的固有属性,而非马赫所认为的是宇宙中其他物质的共同作用结果。事实上,即使物体处于没有任何引力的太空,它仍然有“惯性”运动,因为运动是物质的存在形式和存在表现,不运动,物质就不会存在,质量更谈不上,物质(质量)和运动是不可分割的。当然如果没有别的物质,这个物体也不会存在,更谈不上运动和惯性。
那质量和惯性的关系到底如何?
从上叙述可知,爱因斯坦认为质量大小决定时空弯曲度――引力场的强弱,而引力等价于惯性力,因此从这个意义上说,质量决定了惯性。比如说,光子的静质量为0,因此光的传播就没有惯性,也不需要惯性,光速只是时空的固有振荡。另外,光的传播不需要介质,因此也不存在介质有没有惯性的问题。
也许有人会说,不论是引力质量,还是惯性质量的测量都离不开力,引力质量要利用重力加速度和引力,惯性质量要用非惯性系的运动加速度和力,没有力可以说就体现不出质量,质量成了力的度量。与其说是质量引起了时空弯曲,不如说是质量度量的力引起了时空弯曲。从这个角度上看,似乎是惯性(力)决定了质量。至于力是什么?从微观上研究吧。哈哈,这是对广义相对论引力理论的另类解释,对错,咱们在这里不讨论,我只能说“质量”、“惯性”、“引力”这些概念是为了更好地理解和陈述,都是人为的意识概括,而非事物本身。
我们可以用大家都能理解的语言做一总结,大家意会就好:既然惯性是物质的固有属性,自然是有了物质才有惯性,而质量也是物质的一种属性,甚至是物质比较本质的具有代表性的表现属性,质量应该比惯性更基本,退一万步讲,质量和惯性应该是物质的一体两面,是物质的两种不同表现,其本质是一样的。
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