质量的资料

物理学发展简史

摘要：物理学的发展大致经历了三个时期：古代物理学时期、近代物理学时期（又称经典物理学时期）和现代物理学时期。物理学实质性的大发展，绝大部分是在欧洲完成，因此物理学的发展史，也可以看作是欧洲物理学的发展史。

关键词：物理学；发展简史；经典力学；电磁学；相对论；量子力学；人类未来发展

2、现代物理学

对于真空的认识

《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：６．宇宙中不断有物质创生吗？２９．为什么宇宙中反物质如此少？３０．反物质世界存在吗？ ３１．反物质能源能否实现？ ８４．真空的本质是什么？

道生一，一生二，二生三，三生万物。道者，无也。 ——老子《道德经》。西方哲学是把所有的客观存在统称为“物质”，这种自然观被叫做“物质一元论”；20世纪物理学的诸多成果都在证明，未来科学必须用物质～空间系统论的自然观取代实体物质一元论。物理学抛弃ether，electromagnetic field可以在真空中传播，真空的本质是什么，为什么在真空中可以激发出各种粒子？李政道(T.D.Lee)认为，真空和ether不同，它是Lorentz不变的，可它有很多复杂的性质。【1】

100年以前的一位物理学家就预言：真空中充满了能量，取之不尽，用之不竭。在几十年前的彼得堡学术会议上，关于真空问题的讨论，使门捷列夫，开尔文爵士，特斯拉等科学家被错误的冠以伪科学家的头衔。特斯拉对电磁波深有研究，他研究电磁波的标量部分，并且成功地实现了无线的电流传送。李政道博士也认为：真空就是介质的凝固态。 一些科学家认为，真空是一种能量海，取之不尽，用之不竭。 NASA在1998年把真空能的研究列入NASA的研究计划。美国能源部在当时强烈的反对，认为不可能从什么都没有的真空里提取出

能量来，并宣称不会给任何NASA的关于真空能的研究计划拨款。而两年后，美国能源部也把真空能纳入其研究计划中。

在广义相对论中，物理真空的观念被彻底排除了。ether概念重新获得了一定的内容......广义相对论的ether是本身失去了任何力学和运动学性质的介质，但同时它能决定力学（或电磁学）过程。Dirac方程（pcα+mc2β）ψ=Eψ，对原子结构及分子结构都给予了新的层面和新的极标准的了解。Dirac关于真空中被无数electric charge充满的理论可以推广至被无数正引力质量充满着，进一步理解负引力质量空穴——场。由此类比广义相对论中的ether依然是真空，因为space-time与引力质量是对称的，能量是它们之间的相互作用，因此实物通常是定域在绝对空间的确定区域内，而场则弥漫于绝对空间中，electromagnetic field的传播也需要介质——绝对space-time。物理学家保罗•戴维斯在他的《上帝与新物理学》中说：“运动的能量和质量的能量总是正的，但引力的能量，如某些场的引力是负的。有时会出现这样的情况，创造新生物质粒子质量的正能量正好被引力的负能量抵消了.” 爱因斯坦说：“我们今后在这样的意义上把‘场’同‘物质’加以区别，除了场之外的任何东西都叫‘物质’，因此它不仅包括通常意义上的物质，而且也包括电磁场。” 爱因斯坦在1917年的文章《广义相对论的宇宙学》里说的“这样构成的一个宇宙，就其场来说，该是没有中心的，所以用不着假定在空间无限远处密度应该减少，而只要假定平均势和平均密度一直到无限远处都是不变的就行了。”他1918年在《论引力波》里又说：“在我们

的宇宙中，固然物质不是均匀分布的，而是集中于各个天体之中；固然物质不是静止的而是处于（比光速慢得多的）相对运动之中。可是，十分可能，在包含许许多多恒星的空间中得到的物质的平均（‘自然量度的’）空间密度，在宇宙中接近一个常数。”

李政道提出，在21世纪会出现四个重大的研究领域：目前在原来的物理学框架上，理论发展已经很困难，应该有一个大的突破。应该着眼于微观的基本粒子和宏观的真空态统一起来研究，这比20世纪初的理论革命会有更加大的突破。

参考文献:

【1】李政道——科学的发展：从古代中国到现在. 朱长超主编.《世界著名科学家演讲精粹》 百花洲文艺出版社 1995年3月第1版 第3次印刷。

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1、引言

质量是物理学最基本最重要的概念之一。随着人们对经典物理现象及概念逐步深入的研究认识，对物质质量的理解、界定和测量方法经历了一个漫长的发展变化过程。1960年，第十一届国际计量大会通过的国际单位制，其国际代号为SI，我国简称其为国际制，将质量确定为七个基本物理量之一：其名称为“质量”（m

as），简写为M或m；其单位名称为“千克”，国际单位代号为“kg”；并作文字定义：“千克等于国际千克原

器的质量。

国际千克原器是世界上目前所存的定义最早（1989年）保存最严密的七个基本量中唯一的实物标准。这个实物标准件的由来是这样的：十八世纪中叶，法国为了改变国内计量制度的混乱情况，在规定通过巴黎的地球子午线的四千万分之一为1米的同时，在米的基础上规定了质量的单位，即规定1分米3的纯水在

时

的质量为1千克（水在

时密度最大），并且用铂制作了标准千克原器，保存在法国档案局，因而称这

个标准千克器为“档案千克”。1872年科学家们通过国际会议，决定以法国的档案千克为标准，用铂依合金制作标准千克的复制器中，选了一个质量与“档案千克”最接近的作为国际千克原器，保存在巴黎国际计量局。189年第一届国际计量大会批准以这个国际千克原器作为质量标准，沿用至今。

中国“国家千克基准”在1965年由国际计量局检定，并由伦敦的sato仪器公司加以调整，严格保存在北京中n国计量科学院的质量标准库中。

2、质量的物理意义

21.物体的质量是其含物质的多少

这是牛顿最初质量定义的含义，牛顿指出：“定义1，物质的量是用它的密度和体积一起来量度的”。这是一种朴素和直觉地表述。鉴于知识的渐进性和可接受性，目前我国初中物理教科书就是采用定义：“物

体中含有物质的多少叫质量”（人教版）。而且还指出“质量不随物体的形状、状态、温度和位置的改变

而改变（——这一说法并不准确），是物体本身的固有属性”。

2 .质量表示物体的惯性

质量是描述物质属性的物理量。物体具有保持原有运动状态的属性——惯性。牛顿第二运动定律是把

物体在其速度变化（运动状态变化）时所显示的阻抗能力（惯性

）定量化的量度。即

，由于当时无法解释一项，即认为

，所以有

，式中

现，因而称

即为质量，是物体平动惯性大小的量度，也是物体作加速平动运动属性的表

为惯性质量，我国现行高中物理教材就采用这一表述方式。

2 3.质量是表示物体间引力大小的量度

物体具有产生引力作用和感受引力作用的属性。牛顿于17世纪发现的万有引力定律就是反映这一属性的

规律。其表示式，式中的和就是相互作用的二个物体分别具有产生引力作用（产

生引力场——牛顿是持超距作用不认为有场的存在）并能感受引力作用大小的量度，因而称之为引力质量

2 4.惯性质量与引力质量的关系

设地球表面某处一物体，如果忽略地球自转效应，它受到地球的万有引力为

式牛M和R是地球的质量和半径，G为万有引力常数，的作用下产生的加速度为

，则

为该物体的引力质量；另一方面，设此物体在力

式中为惯性质量。以同样条件设另一物体，则

由以上四式得：

实验事实是地球表面同一处的重力加速度都是相等的，即

因此有

由此可见，一切物体自由下落时的加速度都相等的事实，意味着引力质量与惯性质量有正比关系，在万有引力定律和牛顿第二定律中，如果选取适当的单位，则二者是相等的。正是基于这样的客观事实，爱因斯坦提出了引力场的概念，并认为加速场可以抵消引力场效应，总结出了“等效原理”，作为广义相对论的实验基础并将引力质量和惯性质量用如下关系联系起来： 惯性质量×加速度（加速场强度）=引力质量×引力场强度

不过等效应原理的动力学机制还不太清楚

2 5.质量随述速度的增长

其实，在牛顿第二定律中已经得出了等于什么的问题，只是牛顿力学是建立在超距作用的绝对时空观上，将质量视为一个与运动无关的恒定量。而在相对论力学中运动物体的质量与其速度有如下关系

式中为静止质量，即时。为光速。物体高速的运动效应，引起物体质量的改变，说明物体的惯性或产生和感受引力的性质发生了变化，同时也说明了物质的属性与其运动有关。在低速下，由于物质属性的改变极为微小，从而才认为物体的质量是恒定的。

2 6.质能守恒是近代物理学的基石之一。

在相对论力学创立之前，人们一直以为质量守恒定律和能量守恒定律是两条彼此没有关系的完全独立的定律。相对论力学揭示了质量与能量之间存在着十分简单的关系。

在时，将其进行幂级数展开得：

中当

即

式中第二项正是经典力学里熟知的物体的动能。由此可知，一个运动物体

的能量可以分成二部分，其一是运动时才具有的动能，其二是静止时也具有能量即

。 物体的静能是一个崭新的概念，是与物体静止质量相联系的能量，与直接成正比。这样，任何物质的质量与其能量E

存在着普适关系。当物体的能量发生变化时，它的质量就按这一关系相应地发生变化，反之，它的质量发生了改变必定伴随其能量的变化。这一结论与目前所有的实验事实相符合。比如，人们运用质能守恒关系解释了原子核反应时质量亏损现象，发现了核内蕴藏着巨大的能量，等等。

、3物体质量的测量方法

随着科技水平的发展，质量测量技术的水平和手段在不断地提高和改进，特别是将电子技术应用到质量测定技术之中而发明的电子天平，其感量可达万分之一。目前在实验室和教学科研中常用的质量测量方法从原理上讲，主要有用（各种）天平测定物体质量即天平法，运用牛顿第二定律测质量；用动量守恒定律测质量；用单摆和弹簧称测质量；用万有引力定律推测天体质量；用匀强电场测带电粒子的质量；用质谱仪测带电微粒的质量；用理想气体状态方程测气体的质量；用油膜法测定物质分子的质量等等。

物体带电后，它所具有的能量增加。由质能关系式，其质量也相应增加。我们把物体质因带电而增加的这部分质量称为电磁质量。另外，电磁质量系由电磁质量和附加质量两部分组成。

[2] 陶力沛 《经典物理中球对称带电体的电磁质量》 《华南师范大学学报，自然科学版》 1983年 第二期

质量起源

) ))

电磁质量说的兴衰

卢昌海

物理学是一门试图在最基本的层次上理解自然 的古老科学, 早期曾经是哲学的一部分。在那个时 期, 物理学所关心 的是一些有关世 界本原的问题。 那些问题看似朴素, 却极为困难。在后来的漫长岁 月里, 物理学曾经一次次地回到那些问题上来, 就像 一个远行的水手一次次地回望灯塔。

质量的起源便是一个有关世界本原的问题。 一、

从机械观到电磁观

对几乎所有受过现代教育的人来说, 最早接触 质量这一概念都是在牛顿力学中。在牛顿力学中, 质量是决定物体惯性与引力的基本物理量, 是一个 不可约的概念。我们知道, 牛顿力学在大约 200 年 的时间里被认为是描述物理世界的基本框架, 这是 所谓的机械观。在那段时间里, 物理学家们曾经试 图把物理学的各个分支尽可能地约化为力学。很显 然, 在那样一个以机械观为主导的时期里, 质量既然 是力学中的不可约概念, 自然也就成为了整个物理 学中的不可约概念, 因此有关质量起源的研究在那 个时期是基本不存在的。

但是到了 19 世纪末的时候, 那种试图把物理学 其他分支约化为力学的努力遭遇很大挫折。这种挫 折首先来自电磁理论。大家知道, 电磁理论预言了 电磁波, 按照机械观, 波的传播必然有相应的介质。 但是电磁波在什么介质 中传播, 却 是谁也不知道。 尽管如此, 物理学家们还是按照机械观的思路假设 了这种介质的存在, 并称之为/ 以太0。但不幸的是, 所有试图为以太构筑机械模型的努力全都在实验面 前遭遇了滑铁卢。在那段最终催生了狭义相对论的 物理学阵痛期里, 许多物理学家艰难地试图调和着 实验与机械以太模型之间的矛盾。但与那些挽救机 械观的努力同时, 也萌发了一种与机械观截然相反 的思路, 那便是电磁观。电磁观的思路是: 物理学上 并没有什么先验的理由要求我们用力学框架来描述 自然, 机械观的产生只不过是因为力学在很长一个 时期里是发展最为成熟的学科而已, 现在电磁理论

也发展到不亚于力学的成熟程度, 既然无法把电磁 理论约化为力学, 那可不可以反过来把力学约化为 电磁理论呢?

要想把力学约化为电磁理论,

关键就要把力学中不可约的质量概念

约化为电磁概念, 这是物理学家们研究

质量起源的第一种定量的尝试。由于当时对物质的 微观结构还知之甚少, 1897 年由汤姆逊发现的电子 是当时所知的唯一基本粒子, 因此将质量约化为电 磁概念的努力就集中体现在了对电子的研究上, 由 此产生了物理史上昙花一现的经典电子论。 二、

经典电子论

经典电子论最著名的人物是荷兰物理学家洛伦 兹, 他是一位经典物理学的大师。在相对论诞生之 前的那几年里, 洛伦兹虽已年届半百, 却依然才思敏 捷。1904 年他发表了一篇题为5任意亚光速运动系 统中的电磁现象

6的文章。在这篇文章中, 他运用自

己此前几年在研究运动系统的电磁理论时所提出的 包括长度收缩、

局域时间在内的一系列假设, 计算了

具有均匀面电荷分布的运动电子的电磁动量, 由此 得到电子的横质量 m T 与纵质量 m L( 这里用的是 高斯单位制) 分别为

m T = ( 2e

2/ 3Rc2) C、m L= ( 2e2/ 3Rc2) C3, ( 1)

其中 e 为电子的电荷, R 为电子在静止参照系中的 半径, c 为光速, C= ( 1- v

2/ c2) - 1/ 2。撇开系数不

论, 洛伦兹的这两个结果与后来的狭义相对论完全 相同。但洛伦兹的文章一经发表就遭到经典电子论 的另一位主要人物亚伯拉 罕的批评。亚伯拉罕指 出, 质量除了像洛伦兹那样通过动量来定义, 还应该 可以通过能量来定义。比方说纵质量 可以定义为 m L = ( 1/ v ) ( dE / d v ) 。但是简单的计算表明, 用这 种方法得到的质量与洛伦兹的结果完全不同! 很明显, 这说明洛伦兹的电子论有缺陷。那么 缺陷在哪里呢? 亚伯拉罕认为是洛伦兹的计算忽略 了为平衡电子电荷间的排斥所必需的张力。没有这 种张力, 洛伦兹的电子会在各电荷元的相互排斥下 土崩瓦解。除亚伯拉罕外, 另一位经典物理学大师 庞加莱也注意到了洛伦兹电子论的这一问题。庞加 莱与洛伦兹是爱因斯坦之前在定量结果上最接近狭

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