質量和重量之間是什麼關係?

2021-01-19 鍾銘聊科學

答案很直接,它們肯定不是一回事。但是它們之間有一些關係。

質量是什麼?

我們在研究科學問題的時候,尤其是科學家在搞研究發論文的時候,都會想把「定義」講清楚。這個規矩並不是一開始就有的。而是,到了牛頓時期才有的,應該說,這是牛頓的工作方法。他在寫他的著作《自然哲學的數學原理》時,就在開頭10多頁各種下定義,是那種很明確的定義。我們熟悉的「質量」和「力」等概念,也是那時候確立下來的。

所以,最早給「質量」下明確定義的人是牛頓,就寫在了《自然哲學的數學原理》的開頭。他是這麼描述的:

物質的量是同一物質的密度和大小聯合起來的一種度量。

聽起來很抽象有沒有?不過沒關係,後來的科學家曾經總結過牛頓的工作方法,提出了一個牛

頓的雷射烈焰劍理論。這個理論說的是:

所有不能進行實驗和觀測的東西都不值得辯論。

所以,既然牛頓給下了定義,他肯定還給了測量質量的方法。這其實就在「質量」的定義下面,他說:

通過精確的擺實驗,我發現質量和重量成比例。

發現沒有?牛頓確實提供了測量方法,不僅如此,他這個測量方法就是和重量有關係的。他發現重量和質量是成比例的。

慣性質量和引力質量

關於質量的定義,如果你上過高中的物理課,應該也會知道,質量描述了物體運動的難易程度,說白了就是慣性。於是,就有了所謂的「慣性質量」的說法。

同時,我們要知道的是,我們在地球上之所不會飛起來,是因為有引力,而地球自轉的同時,我們有個要被地球甩出去的離心力,我們在地球上所受到的重力,其實是引力和離心力的合力。

不過,我們要搞清楚一個問題,那就是關於力的準確定義:

力是改變物體運動狀態的原因。

然後,我們繼續思考,質量更大的物體雖然受到了更強的引力,但因為自身的質量很大,所以改變運動狀態的難度也很大,加速下落也更費勁。但是問題是,如果我們做一次自由落體實驗,就會發現,輕的物體和重的物體會同時落地。

所以,這裡的慣性質量和引力質量竟然神奇的相等了。

後來科學家還發現,不僅如此,類似於庫倫力和萬有引力,都有類似的情況。它們的強度隨著距離的平方減弱,似乎暗示著某種規律。

我們可以想像空氣當中有個氣球,上面布滿了小點,隨著氣球膨脹,氣球表面上單位面積內的小點的濃度是隨著尺度的平方在下降的,可是球球表面總的小點的數量其實是不變的。也就是說,引力場和庫倫力的電磁場都是球形的。

當然,我們還能得出的是,在這種「場」內,物體的慣性質量等於引力質量。這在廣義相對論當中,也被叫做等效原理。

由此,我們可以得出一個結論,重力其實是由引力所引起的,它會因為引力場的變化而發生改變,但是質量並非如此,質量不會因為引力場的改變而發生改變,質量是恆定不變的。

質量是從哪裡來的?

那你可能會繼續問,既然重力是因為引力,那質量是由什麼引起的呢?

其實我們早就思考過,如果我們把物質不斷地進行切分,如果能切到不可再分的那些粒子,那麼稱一下這些粒子的質量就是了,物質的質量應該就是這些粒子質量的集合。

然而,當我們真的去這麼做的時候才發現,這些質量只佔了整體質量得不到1%。

那99%的質量是從何而來呢?

進一步研究的過程中,我們就需要了解一下愛因斯坦狹義相對論的質能方程部分,E=mc^2。

這個方程其實就告訴我們一個事:質能等價。啥意思呢?質量還有能量,能量還有質量,它們其實是同一個東西的兩個物理量而已。所以一定的質量對應一定的能量,通過E=mc^2可以進行換算。而物質99%的質量,來自於束縛夸克的強力所釋放出的能量對應的質量。

最後我們來總結一下,質量是恆定不變的,它和構成自身的粒子以及把這些粒子束縛在一起的作用力所釋放的能量對應的質量。而通過引力質量等於慣性質量,我們可以知道,重力其實和引力場有關,它是一個變化值。

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