質(zhì)量的定義是什么？力的定義是什么？能量的定義又是什么？

這些理應(yīng)都是物理學(xué)中的基礎(chǔ)概念，可是，在任何一本基礎(chǔ)的物理書中都找不到他們的定義，悲夫！今天我們就來探討一下這三個(gè)問題吧！

初中和高中物理書上都把物體所含有的物質(zhì)的多少叫做質(zhì)量，這是一種非常不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕忉尅Ｎ页踔袆倢W(xué)到這個(gè)概念時(shí)，就對(duì)此產(chǎn)生了巨大的疑問。按照這個(gè)定義，光是一種物體吧，它含有物質(zhì)（按哲學(xué)中的定義，物質(zhì)是獨(dú)立于意識(shí)之外而存在的一切），可是它卻沒有靜止質(zhì)量（即固有質(zhì)量）。光只攜帶能量，而沒有可觀測(cè)的固有質(zhì)量。就算光是一個(gè)極端的前沿的中學(xué)生研究不了的例子，那么我也可以從磁場(chǎng)下手。磁場(chǎng)是物質(zhì)，可是從來沒有誰(shuí)說過磁場(chǎng)有質(zhì)量。所以，顯然把質(zhì)量定義成物體所含有的物質(zhì)的多少是站不住腳的。

那么質(zhì)量應(yīng)該如何定義呢？按照上一回所說的概念的定義方式，我們必須找到質(zhì)量的本質(zhì)屬性。通過查閱大量資料我獲悉，質(zhì)量有兩個(gè)本質(zhì)屬性：慣性的量度和引力的量度。因此也就有了很古老的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量一說。無數(shù)精確的實(shí)驗(yàn)表明，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是等價(jià)的，所以我們可以認(rèn)為慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量只是質(zhì)量的兩個(gè)不同表現(xiàn)形式。那么慣性的定義，就可以從其中任何一個(gè)本質(zhì)屬性下手。根據(jù)習(xí)慣，人們把質(zhì)量定義為“反映慣性大小的系數(shù)”。

初中和高中都把力描述為物體與物體之間的相互作用，這顯然不是一個(gè)定義。那么力的本質(zhì)屬性是什么呢？那就是能使物體產(chǎn)生加速度，即使運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，即速度的改變。因此，在大學(xué)的課本中可以看到，力的定義是dp/dt，也就是動(dòng)量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。這就是一個(gè)十分令人滿意的定義。

從這個(gè)定義中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有意思的事情：F=dp/dt=d(mv)/dt=mdv/dt=ma，這不就是牛頓第二定律么！牛頓第二定律居然可以推導(dǎo)出來！不要以為這種推導(dǎo)沒有意義，不要覺得我們先學(xué)的力再學(xué)的動(dòng)量那么力就比動(dòng)量更基礎(chǔ)。這種推導(dǎo)的意義在于，這樣一來牛頓第二定律就成了永遠(yuǎn)為真的定律，無論實(shí)驗(yàn)多么精確，無論要求精確到小數(shù)點(diǎn)后多少位，這個(gè)定律總是會(huì)成立的。就算考慮進(jìn)相對(duì)論效應(yīng)，那么只要把F=ma中的m也考慮進(jìn)相對(duì)論效應(yīng)就可以了，他仍然成立，就是因?yàn)檫@個(gè)公式是我們?nèi)藶槎x出來的結(jié)果！

再談?wù)勀芰堪?。能量在初中、高中、甚至大學(xué)的課本上都描述得非常模糊，甚至有些循環(huán)定義的嫌疑。而我最近讀了那么多書，也都沒有一本能非常精準(zhǔn)地給能量下一個(gè)定義，因?yàn)槲艺J(rèn)為實(shí)在很難找出它的本質(zhì)屬性。然而，能量卻是一個(gè)十分重要，十分有價(jià)值的物理量，可以成為是物理學(xué)中的基本物理量之一，能量應(yīng)該比質(zhì)量、力等更基本。費(fèi)曼說，能量是一種我們認(rèn)為是守恒的物理量，其概念隨著物理學(xué)的發(fā)展在不斷擴(kuò)充。這似乎在向我們表明，能量守恒已不僅僅是普通的物理定律，而已經(jīng)上升成了宇宙的一條公理，一個(gè)約定，無論世界發(fā)生怎樣的變化，無論今后物理學(xué)怎樣發(fā)展，能量守恒定律永遠(yuǎn)為真。一旦有實(shí)驗(yàn)表明他似乎為錯(cuò)誤的，我們總可以說能量跑到一種新的能量中去了，他們的總和總是一個(gè)定值，這樣能量的概念就進(jìn)一步擴(kuò)充，無窮無盡，除非我們承認(rèn)物理學(xué)將不再發(fā)展。能量真是一個(gè)十分微妙的概念！根據(jù)Noether定理，能量守恒與時(shí)間平移對(duì)稱相對(duì)應(yīng)，而時(shí)間又是一個(gè)十分奇妙的概念，今天暫不探討。兩個(gè)十分微妙的概念，竟如此結(jié)合在一起，真是神奇??！