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質(zhì)量和慣性,哪個才是物體的根本屬性?

 宇宙時空探索 2024-09-25 發(fā)布于遼寧

普遍被接受的說法是,質(zhì)量體現(xiàn)了物體抵抗運(yùn)動狀態(tài)改變的能力,即慣性的度量。有質(zhì)量的物體才談得上慣性,質(zhì)量直接決定慣性的大小。根據(jù)物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型,質(zhì)量并非源自物體的慣性,而是與“希格斯場”密不可分。人們口中的“上帝粒子”,實際上是希格斯場中的場量子化激發(fā)。正是希格斯場(粒子)引發(fā)了對稱性的自發(fā)破缺,進(jìn)而將質(zhì)量賦予了粒子。2013年3月,科學(xué)家們在歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)的實驗中證實了“上帝粒子”的存在。

從牛頓力學(xué)(牛頓第二定律)的角度看,慣性來源于物體的質(zhì)量,質(zhì)量是衡量慣性大小的唯一標(biāo)準(zhǔn)。慣性的強(qiáng)弱直接取決于物體的質(zhì)量,是物體自身的基本屬性,與其他外部物體無關(guān)。

牛頓還發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律,該定律表明:質(zhì)量是物體間吸引力大小的指標(biāo)——質(zhì)量越大,它們間的引力也越強(qiáng)。為了與慣性質(zhì)量區(qū)分,人們將這種衡量引力大小的質(zhì)量稱為“引力質(zhì)量”,而將衡量慣性的稱為“慣性質(zhì)量”。盡管如此,牛頓并未將這兩種質(zhì)量聯(lián)系起來,他認(rèn)為它們是兩個獨立的物理現(xiàn)象。

十九世紀(jì)的奧地利物理學(xué)家恩斯特·馬赫對牛頓的“慣性”概念提出質(zhì)疑,他認(rèn)為慣性并非物體的固有屬性,而是由宇宙中其他物質(zhì)的作用所決定。馬赫認(rèn)為,在非慣性系中物體所受的“慣性力”并非虛構(gòu)的,而是一種引力的表現(xiàn),是宇宙中其他物質(zhì)對它的整體作用。換句話說,加速的物體受到的慣性力,是因為它相對于全宇宙所有物質(zhì)在加速,從而感覺到全宇宙物質(zhì)對它的反向加速,因此對該物體產(chǎn)生了作用。馬赫認(rèn)為,慣性應(yīng)當(dāng)被視為一種現(xiàn)象,而非屬性,其背后應(yīng)該有更深層次的實質(zhì)。

但馬赫關(guān)于在沒有任何引力作用的太空中(實際并不存在這樣的環(huán)境),物體不會具有慣性的觀點也是過于草率。因為在任何情況下(包括無引力的太空),若物體無慣性,則意味著它會無緣無故地開始或停止運(yùn)動,不需時間即可加速或立即停下,這將否定了真實運(yùn)動和空間物質(zhì)性,也否定了事物之間的聯(lián)系,陷入了一種孤立、靜止的形而上學(xué)。

愛因斯坦憑借敏銳的洞察力,從引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量總是成正比這一普遍現(xiàn)象出發(fā),吸取了前人的見解,特別是馬赫的思考(被愛因斯坦稱為“馬赫原理”)。愛因斯坦認(rèn)為引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量本質(zhì)上是等效的,并提出局域引力(即非均勻的引力)等同于一種虛擬的“慣性力”。如果選取適當(dāng)?shù)膯挝?,引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的比例系數(shù)可以設(shè)為1,這意味著引力質(zhì)量等于慣性質(zhì)量,引力就是慣性力。在此基礎(chǔ)上,他進(jìn)一步深化了這種等效性,提出局域引力場(或稱為無限小的彎曲時空)與慣性場(系)等效,這意味著不僅是力的等效,而是整個參考系內(nèi)的所有物理規(guī)律都等效。基于這些洞見,愛因斯坦建立了廣義相對論。

廣義相對論的核心理念可概括為:物質(zhì)決定時空如何彎曲,而時空的彎曲又指引物質(zhì)如何運(yùn)動。時空的彎曲產(chǎn)生了引力場,引力場的強(qiáng)度取決于物質(zhì)的質(zhì)量:質(zhì)量越大,時空彎曲越厲害,引力場越強(qiáng)。根據(jù)等效原理,慣性質(zhì)量同樣會引發(fā)時空彎曲。這就是狹義相對論中提到的,高速運(yùn)動的物體會出現(xiàn)“鐘慢尺縮”等時空彎曲現(xiàn)象的原因。在廣義相對論中,引力就是慣性力(僅在非慣性系中可體驗到慣性力,因此非慣性系可視為慣性系加上引力),而慣性力是虛擬的假想效應(yīng),引力自然也是。

盡管愛因斯坦認(rèn)為慣性與引力有關(guān),但他并不認(rèn)為引力是物質(zhì)間的普遍相互作用。他認(rèn)為,引力只是物質(zhì)本身引發(fā)的時空彎曲的幾何效應(yīng),與其他物質(zhì)無關(guān)。基于此,慣性力同樣被視為物質(zhì)自身的屬性,與其他物質(zhì)無關(guān)。簡言之,慣性仍然是物質(zhì)自身的固有屬性,而非馬赫所認(rèn)為的由宇宙中其他物質(zhì)共同作用的結(jié)果。事實上,即便在無引力的太空中,物體依舊會保持“慣性”運(yùn)動,因為運(yùn)動是物質(zhì)的存在方式,沒有運(yùn)動,物質(zhì)就無法存在,質(zhì)量也就無從談起。反之,若無其他物質(zhì),該物體本身也不可能存在,更談不上運(yùn)動與慣性。

那么,質(zhì)量與慣性的關(guān)系究竟是怎樣的呢?

根據(jù)前文的論述,愛因斯坦認(rèn)為質(zhì)量決定了時空彎曲的程度——引力場的強(qiáng)弱,而引力與慣性力等價。因此,從這個角度來看,質(zhì)量決定了慣性。例如,光子沒有靜質(zhì)量,因此光的傳播不受慣性影響,光速是時空本身的固有振動。此外,光的傳播無需媒介,因而不存在媒介是否具有慣性的問題。

或許有人會提出,引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量實際上都離不開力的測量:引力質(zhì)量需要借助重力加速度和引力,慣性質(zhì)量需要通過非慣性系的運(yùn)動加速度和力來確定。似乎沒有力,就無法體現(xiàn)質(zhì)量,質(zhì)量成為了力的衡量標(biāo)準(zhǔn)。與其說質(zhì)量引發(fā)了時空彎曲,不如說是度量質(zhì)量的力導(dǎo)致了時空彎曲。從這個觀點來看,似乎是慣性(力)決定了質(zhì)量。至于力的本質(zhì)是什么,可能需要從微觀層面去探究。這里對廣義相對論的引力理論給出了一個另類的解讀,對與錯,這里不予討論,只能說“質(zhì)量”、“慣性”、“引力”這些概念都是為了更好地理解和描述自然界現(xiàn)象,是人為的理論抽象,而非事物的本質(zhì)。

最后,可以用易于理解的語言來做一個總結(jié):既然慣性是物質(zhì)的固有屬性,自然先有物質(zhì)后有慣性。而質(zhì)量作為物質(zhì)的一種屬性,甚至是物質(zhì)最基本的代表特征,應(yīng)該比慣性更加根本。即使質(zhì)量和慣性是物質(zhì)不可分割的兩個方面,它們在本質(zhì)上是統(tǒng)一的。

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