質量的不變和可變性

2020-12-26 鄧如山

物質的存在和來源既是一個科學問題,也是一個哲學問題,科學和哲學的基本問題符合科學哲學來源論的等效原理。在某種意義上講,物質的存在和來源是一個哲學問題,而質量的存在和來源是一個科學問題。物體的靜止質量基本上是不變的,而物體的運動質量是可變的,比如:電子的靜質量為9.10956x10的31次方Kg,而電子的運質量是靜質量的若干倍。物體的動質量和物體的運動速度呈正向變化的等效關係,也就是說,物體質量隨運動速度的增大而增大,隨運動速度的減小而減小。歷史上的科學家首先在實驗中發現了物質質量的變化現象,然後從理論上解釋了物體的質量與運動速度正向變化的相互關係。

1901年,德國物理學家考夫曼在實驗中用鐳元素放射出β射線,他最先發現了電子的質量隨速度變化而變化的現象,當電子速度接近光速時,它的質量急速增加。1905年,愛因斯坦發表了具有「物理學革命」色彩的狹義相對論,論文指出了物體質量的可變性質,物體質量隨物體運動速度的增大而增大,比如:28億電子伏特電子的動質量是靜質量的8.77倍,2000億電子伏特電子的動質量是靜質量的1224倍。在物理科學發展史上,既存在先有實驗觀測後有理論求證的情形,也存在先有理論預測後有實驗證實的情形,電子運動質量的可變性是先在實驗中觀測的,而正電子的存在是先在理論中預測的,這說明先有實驗後有理論和先有理論後有實驗的兩條物理學發現路徑符合科學哲學邏輯論的等效原理。

物體靜止質量的不變性和運動質量的可變性符合物理哲學反等效關係的悖論原理或悖論關係的反等效原理。物體質量在經典物理學中是一個不變性的物理量,現代物理學引入了運動質量的概念,依據相對論物理學的解釋,物體質量是一個隨運動速度變化而變化的物理量。宇宙中的物質分為普通物質和「暗物質」兩大類,普遍物質是能通過電磁波或光波觀測到的物質,而「暗物質」是不能通過電磁波或光波觀測到的物質。量子力學對普通物質的質量來源有兩種解釋,一種是希格斯機制的作用,一種是量子色動力學概念的強相互作用。有些物理學家認為,物質通過希格斯機制獲得的質量佔到普通物質的5%,而通過強相互作用獲得的質量佔到普通物質的95%。

可以將物質的質量來源轉化為原子的質量來源問題,物質的最小單位是原子;可以將原子的質量來源轉化為質子核的質量來源問題,原子核集中了99.9%以上的原子質量;同樣,可以將原子核的質量來源轉化為質子和中子的質量來源問題;將質子和中子的質量來源轉化為夸克的質量來源問題,原子核由質子和中子組成,質子和中子由夸克組成,以上「從大到小」每一物質層次的轉化都遵循了物理學的還原法,而還原法符合物理哲學轉換論的等效原理或等效論的轉換原理。經典物理學提出了物質和物質最小單位原子的質量不變屬性,而現代物理的相對論提出了運動質量的可變性,現代物理的量子力學以希格斯機制解釋了粒子質量的可變性,這說明相對論和希格斯機制對物質質量可變性的解釋符合物理哲學變化論的等效原理。

一個頂夸克和一個底夸克的質量分別為3MeⅤ和5MeⅤ,一個質子由兩個頂夸克和一個底夸克組成,如果一個質子的質量為3+3+5=11MeV的話,那麼僅用希格斯機制可以解釋質子的質量來源,而通過實驗測算的質子質量為1000MeV,因此,希格斯機制為質子提供了質量少之又少,質子質量的絕大部分來源於量子物理的強相互作用。量子色動力學描述了夸克與夸克的強相互作用,根據愛因斯坦的質能方程式,強相互作用對應的非常高的能量以質子主要質量部分的形式表現出來。夸克與夸克的強相互作用為質子和中子提供的主要質量相當於不變的靜止質量,而包括夸克在內的基本粒子的靜止質量有很大的不同,這與希格斯場的作用機制有關,不同的基本粒子通過希格斯機制獲得不同的質量,比如:夸克是「大質量」的粒子,而電子是「小質量」的粒子,兩種粒子的質量相差了幾個數量級。

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