质量是相对的还是绝对的?为什么?

发布网友 发布时间：2022-12-06 01:57

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热心网友 时间：2024-10-01 04:27

严格的来说质量就是相对的。因为几乎所有质量都是能量转化而来的。物体的能量状态也是相对的，因为速度是相对的，所以质量也是相对的。宇宙中没有绝对的质量，也没有绝对的能量。

质子的质量不仅仅是其各个部分的总和。通过大量的研究，科学家们弄清楚了造成质子这个亚原子粒子质量的原因——并非之前想象的那样。

质子由三个更小的夸克组成。将夸克的质量相加应该就可以得到质子的质量，这貌似是合理的。但是事实并非如此，实际上三个夸克的总质量的数字太小了，无法解释质子的总质量。新的详细计算表明，质子重量仅有9％来自夸克质量，其余部分则来自粒子内部发生的复杂作用影响。

上图：质子与中子的夸克构成。

事实证明，下夸克与希格斯场的相互作用更强，因此其质量要更大一些，这就是为什么质子和中子质量之间存在微小差异的原因。

上图：希格斯机制的草帽形作用特征——高能量确保了对称性、不产生质量；低能量导致对称性破缺并产生质量。

2012年物理学家首次探测到了希格斯玻色子，夸克通过与这种基本粒子的耦合过程获得一部分质量。但希格斯玻色子给夸克带来的质量很少，甚至只是夸克质量的一小部分。因此对于质子来说，希格斯机制的仍然不足以解释质子的质量。

相反，质子的9.38亿电子伏特的质量中的大部分来自量子色动力学（QCD）的机制。量子色动力学是一种解释亚原子粒子内部粒子规律的理论。科学家使用该理论以数学方式研究了质子的性质。但是使用量子色动力学进行计算非常困难。因此，他们使用称为点阵量子色动力学（LAT-iss QCD）的技术简化了计算。这个技术将时间和空间分成网格。夸克只能存在于网格中的点上。这就好比国际象棋只能在棋盘的网格上行走，而不是任意位置。

上图：点阵量子色动力学，基本原理示意。

物理学家以前曾使用这种技术来计算质子的质量。但是直到现在，他们还没有搞清楚质子的哪一部分究竟提供了多少质量。研究者发现，除了夸克的质量外，另有32％的质量来自于夸克在质子内部运动的能量。

在夸克间存在着无静质量的粒子被称为胶子，它帮助夸克结合在一起，其能量贡献了质子质量的36％。其余的23％来自夸克和胶子以复杂方式相互作用时产生的效应。

粒子质量的故事始于大爆炸之后。在宇宙的最初时刻，几乎所有粒子都是无质量的，它们以光速在非常热的“原始汤”中传播。在此期间的某个时刻，希格斯场的“大幕”开启，渗透到宇宙中并赋予了基本粒子以质量。

希格斯场存在时，位于其中的粒子行为方式会发生改变。一种最常见的隐喻是将希格斯场比喻为一桶糖蜜或浓糖浆，当一些粒子穿过时，这种糖浆或浓糖浆会减慢它们的速度。

还有人则把希格斯场想象成是聚会上的人群或粉丝。当著名的科学家或名人走过，人们簇拥着他们，使它们步履蹒跚，但是这些平凡的“粉丝”们的面孔却往往被忽视。“明星”越出名，粉丝和拥趸就越多，“气（）场(liang)”也就越大。

希格斯场使基本粒子（即电子、夸克和其他不能再分的粒子）产生质量。但是这些仍然只占宇宙质量的一小部分。

宇宙的其余的质量来自质子和中子内部的其它部分——几乎大部分来自强大的核力。这两种粒子都分别由三个夸克组成，它们以极快的速度运动，并由胶子束缚在一起，胶子携带着强大的力。夸克与胶子之间相互作用的能量也构成质子和中子的质量。

上图：质子结构的的观念变迁。1980年代（左）为单纯的三夸克模型，而现在科学家们发现夸克之间存在着复杂的虚粒子作用，这些作用存储了大量的能量（质量）。

也就是说，我们所认为的几乎永恒的质子的质量实际上是由质子内部的夸克的运动的能量及其相互作用的能量所构成的，一旦夸克的这种运动停止，那么质子也会衰变而失去这部分质量。因此对于微观粒子的质量来说，其质量并非一种永恒的东西。中子会丧失质量衰变为质子，而质子据科学家们估计也会衰变。所以从微观角度来说，并没有永恒的绝对的质量。

质量的概念一直是物理学的基础。它出现在该学科的早期，随着物理学的发展，其重要性数个世纪以来逐步提高。其定义可以追溯到伽利略和牛顿，他们认为：质量是使物体能够抵抗外部施加的运动变化的属性。牛顿使用质量定义动量和力矢量：他将物体的动量定义为p = m v（其中v是物体速度），并且将力定义为物体动量的增长率：F = d p / d t。当物体的质量恒定时，力的计算公式变为F = m dv/ dt = ma，其中a是物体的加速度。

这个质量的定义被直接使用了近两个世纪。然后爱因斯坦在他的运动理论——相对论中，将质量的定义变得更加复杂。上面的质量定义对于静止的物体仍然成立，因此被称为物体的静止质量，一般表示为m0。

但是，当物体运动时，我们发现其力-加速度关系现在取决于两个量：物体的速度以及其运动方向与作用力之间的角度。当我们涉及的力沿三个相互垂直的空间轴分别产生加速度，我们会发现，在三个运动的方程上会出现一个因子：γ，其中γ即洛伦兹因子 γ =（1-V^2 / C^2 ）^-1/2在相对论中经常出现。

速度依赖性质量的想法实际上可以追溯到洛伦兹的研究。他在1904年发表的论文《在速度小于光速的系统中的电磁现象 》介绍了电子的“纵向”和“横向”电磁质量。有了这些，他就可以写出电子在牛顿形式的电磁场中的运动方程，只要电子的质量被允许随其速度增加而增加。1905年至1909年间，普朗克、刘易斯和托尔曼建立了相对论的力、动量和能量理论。事实证明，单一质量相关性可用于任何加速度，因此，如果认为牛顿的原始表达式p = mv中的m是与速度相关的“相对论质量”的话，那么物体的质量就可以与物体的加速度方向独立开来。

因此，以速度v运动并且其动量为p的物体具有相对论质量，该相对论质量由m = p/v给出，并且得出的总能量应为mc2。静止质量为M0的物体的相对论质量为γM 0。

于是通过m =p/v这个经典公式可以巧妙地定义了一个光子的相对论质量：它以速度c移动并具有能量E，电磁理论给它提供了一个动量p =E/c，因此它具有相对论质量p/v = E/c^2。而表达式M =γM 0不适用于γ为无限大的光子。

但将光子质量写为M=γm0不会导致任何矛盾，因为我们定义了光子的静止质量为零。

上图：相对论（性）质量的简单示意。

似乎是刘易斯（Lewis）在1908年引入了恰当的速度依赖性质量的概念，后来才出现了“相对论质量”一词。

但是，静止质量仍然通常在物理学的许多领域中广泛使用，而相对论质量则主要限于狭义相对论的动力学。因此，物体的静止质量往往被简单地称为“质量”。

一个物体具有的静止质量等于其静止时的相对论质量。当该物体移动时，它的加速度取决于它的相对论质量（当然也包括它的静止质量）和它的速度。

上图：相对论质量并非指物体本身的质量增加了（左），现在比较理想的假说是物体在时空的网格当中高速运动时时空网格的堆积随速度增大而更密集了，因而表现出更高的质量（右）。

当粒子运动时，相对论质量提供了一种非常简便的描述，可以自然地纳入对粒子运动状态的描述。例如，假设我们将一个物体放在一组秤上，这些秤能够测量出令人难以置信的微小重量增加。现在加热物体。当其温度升高导致其构成的物质微粒的热运动增加时，秤上的读数将增加。

从以上种种讨论来看，质量实际上并不是永恒的也不是固定的，而是根据物体的状态而变化的，因为质量本身也不过是我们观察到的一种效应现象，而非物质最根源的本质。

如果我们把物质当作“有”的代名词时，质量就被当作物质的含量或份量。然而，自然界是一个有机的整体，任何事物的存在及其具体的属性，都取决于该物体与周边事物的相互关系。只有在相互关系的表述中，物体的存在才是可能的，才具有一定的物理意义。

比如，物体的构成。如果只考虑该物体本身的话，，那么任何物体都是由更深层次粒子的运动所形成的封闭体系，其是可以被无限分解的。

然而，从哲学上来说，这种物体的分割是无限的。于是，有限的物体被无限的分割还剩下什么呢？这种孤立地思考 问题，只会使人类的思维陷入无法解决的困境。

如果我们把物体的存在放在特定的环境，即将该物体与其周围的其他物体一起考虑，就可以从这些物体之间的相互关系中找到现实的物理意义。于是，原来无限的哲学问题就回归为有限的物理问题了。

比如，如果我们只考虑作为自然界一部分的宇宙时，物质的存在只限于宇宙范围内的情形，那么在我们的宇宙中就存在着不可再分的最小粒子，该粒子就是由普朗克常数h定义的量子。

质量也是如此，其并不是超然于周边事物的物质含量，而仅只是相对于外部环境的关系属性。因此，作为物理参量的质量，其只具有相对性，会相对于物理背景的运动而变化。

质量是与能量相对应的一个物理概念和参变量。能量是关于粒子运动能力的度量，而质量则是被封闭的粒子关于其空间效应的度量。

两者的共同点在于都是粒子运动效应的度量，它们的不同则在于粒子的存在状态是不一样的。前者是开放的，后者则是被封闭的。于是，质能互换的本质是粒子存在形式的改变。

作为被封闭粒子空间效应的度量，当物体相对于作为物理背景的量子空间运动时，该物体与空间的关系必然会发生相应的变化。于是，质量会随物体的运动速度增加而相应地变大。所以，物体的质量具有相对性，是相对于其与空间关系而言的。

在此，要注意的是，伽利略经典的相对关系是有疑问的。如果存在着绝对的相对性，则地心说与日心说就没有本质的区别，它们仅只是描述物体运动的参照系不同而已。

然而，如果相对性只相对于具体的物理背景而言的，那么光子相对于物体的运动和物体相对于光子的运动是不一样的，具有不同的物理意义。因为，它们的运动是相对于量子空间的运动，而不是它们彼此之间的相对变化。

所以，质量的相对性，并不是任意的，其只有相对于作为物理背景的量子空间进行运动时，才会因为空间量子的不对称碰撞 而发生变化，使该物体具有更多的能量，从而使质量增大。

总之，质量仅只是描述物体与空间相互关系的物理参量。因而，其具有相对性，是相对于量子空间的运动而言的。

质量越大，则由于物体的热辐射 ，其引起空间的不对称分布就越大。除此之外，物体相对于量子空间的运动，也会引起该空间的不对称分布，从而表现为质量的增大。

看了不少答案，有点急于下结论。其实，这个问题的水很深很深。有两个子问题：

其一， 质量的本质性定义是什么 ？这可是超现代物理问题，目前还没有足够的理论基础。

其二， 相对与绝对的关系是什么 ？这个有太多的误解，甚至不少科学大家也是稀里糊涂。

本文，姑且作为《 质量导论》(On Mass)。 先回答第二子问题，运用对立统一法则；再回答第一子问题。作为 征求意见稿 ，仅供参考。

虽然，真理是正确无误的命题；但是，真理皆有相对与绝对的二重性，二重性即对立统一。

真理的相对性，指真理只适用于特定条件；真理的绝对性，指在特定条件下是绝对正确。

惯性定律的条件是合外力为零：ΣF=0，若作极限操作：m v/ t 0，则*近：v₂=v₁

熵增原理的条件是非开放系统：外部环境是一个绝对递弱状态，对系统没有任何干扰。

敌我命题，取决于最大利益。抗日战争国共两党统一战线；解放战争国共两党是敌我关系。

张伯伦说的好，只有永恒的利益，没有永恒的朋友。不过，最大利益未必都是经济利益。

必须指出，错误或瑕疵的命题，不是真理，既没有真理的相对性，更谈不上真理的绝对性。

例如，洛伦兹变换(简称 γ因子 )的前提条件是：光是光源发射出来的，而不是场介质被光源激发出来的，故该因子的推论都是伪命题。

所有经典的原理与定律都是特定条件下的真理，因此都有相对与绝对的二重性。但是被误导或有瑕疵的所谓“原理”，不在此列。

所有守恒定律，如质量~、能量~、动量~、电荷~、信息~，其特定条件都是非开放系统。

宏观尤其在化学的质量守恒，是毋容置疑的。微观尤其在核物理，似乎有 质量亏损 与 质量爆增 （希格斯机制），其实是γ因子在误导。

例如，在著名的正负电子湮灭方程中，即在： e +e +2 ½m₀c² γ +γ +2hc/λ₀...(1) ，有人说，电子质量彻底亏损而转换为能量了。

其实两边能量相等： 2 ½m₀c²=2hc/λ ；两边质量也相等：2e=2γ=2 0.51=1.02MeV/c²。

显然，我们宁可服从逻辑自洽法则，也不愿有自相矛盾，宁可服从质量守恒与转换原理：

质量是物质的结构性总量指标 ，

这里的电子被解构或简并为光子，电子急剧膨胀为光子，电子质量转换为光子质量：电子质量 光子质量。

能量是物质的运动性总量指标 ，

电子动能转为电磁辐射能 ½m₀c²=hc/λ₀...(2) ， λ₀=4.85pm， 是宇宙中电磁波的最短波长。

这是一个课题，质量的定义与本质，这关乎大科研，如大统一理论，强子质量方程。加上能量的定义与本质，都是头疼问题。

3.1 质量的定义，需要重新审定

质量的定义有三个版本：摩尔质量（基于阿伏伽德罗常数）、惯性质量（基于牛顿第二定律）、引力质量（基于万有引力定律）。

但都没有揭示质量的本质，因为至少有不能释怀的所谓“ 质量亏损 ”与“ 质量爆增 ”，这有悖于质量守恒定律，逻辑上不自洽。

笔者一贯主张，精准定义是科研的灵魂。基础物理学涉及的质、能、波、磁、电、场、力等范畴都有必要刷新定义，直至无懈可击。

3.2 从感觉与直觉，切入质感

从对空气的感觉与直觉之现象切入本题。

现象1 ：如果我们在无风时漫步行走，感觉不到空气有什么 质感 。似乎空气就是真空。可是，如果我们奔跑，迎面就有 风压 ，为什么？

现象2 ：如果我们在有风时伫立不走，就会有一种风的质感，冬天会有寒风刺骨。可是，如果我们顺风奔跑，迎面没有 风压 ，为什么？

动力学解释 ：设平静的空气密度为ρ₁，脸部面积为A，只要脸面与空气接触面有相对运动，面前空气就会被挤压，局部空气的密度就会增大(ρ₂>ρ₁)，空气压强加大(p₂>p₁=kρ₁)，面部风压加大(F₂>F₁=kρ₁A)，脸就有了质感。

3.3 空气质量涉及三要素

空气质量涉及三个要素：粒子质量(m)、空气体积(V)、场效应质量增量(m')。

要素1：粒子的电子质量当量(nm₀)

电子是最稳定的最小质量单元，以油滴实验可公设电子质量常数： m₀=9.1 10 ³¹kg ...(3) 。

显然，粒子质量(m)与电子质量当量数(n)成正比： m=nm₀...(4)

要素2：空气所占空间的体积(V)

超凝聚态体积，因核内电子间距极小而变化极小，核内电子震荡极快( v=c )，场质量增量极大(m'=nm₀R³/r³)，可归于 希格斯机制 。但不宜用m=m₀/ (1-v²/c²)来解释。

凝聚态体积，因原子的核外电子间距较小而变化较小，核外电子震荡速度较快(v αc)，也涉及场质量增量，但远弱于核内电子场效应。

气态体积，因原子的核外电子间距很大而变化很大，核外电子的震荡速度较慢。因此，场质量增量可以忽略不计。

要素3：气流速度(v)导致场质量增量(m')

空气流动的本质是电子的速度增量(v₀+v)挤压空间场，场介质被激发电磁波缩短了波长，进而加大了场介质密度：场密增倍数=体缩倍数

有： ρ=ρ₀(λ₀/λ)³...(5)

或： m'=m₀R³/r³...(6)， 详见《统一方程组》

而， ½m₀v²=hc/λ...(7)

有： λ=2hc/m₀v²...(8)

故， ρ=ρ₀(v/v₀)⁶...(9)

密度增量的本质是场质量的增量，因为电子当量质量(nm₀)是常量，v₀是场介质随同粒子的原有震荡速度，v是填空达到动态平衡时的末速度。 v是实际气流或者飞行挤压的位移速度。

例1： 设空气分子原有速度v₀=630m/s，飓风或飞机 v=370m/s，则v=v₀+ v=1000m/s

场新密度：ρ=ρ₀(v/v₀)⁶=ρ₀(10³/630)⁶=16ρ₀

场原密度： ρ₀=m₀/4.2r₀³...(10)

其中，r₀=λ₀/2π=hc/πm₀v₀²=0.175 [m]

则有，ρ₀=m₀/4.2r₀³=4.04 10 ²⁹[kg/m³]

进而，ρ=16ρ₀=6.4 10 ²⁸[kg/m³]

本例表明：空气所含的场密度极其稀薄，即使超音速飞行器的音爆效应，密度爆增19倍，对空气密度1.29kg/m³的贡献也是微乎其微。

例2 ：设中子质量方程：中子=正负电子+场介质：p (1840m₀)=e (2m₀)+m'(1838m₀)，其中，m'是场质量增量。求作为中子的前身氕原子的半径R。

解：中子可看成半径氕原子半径R被压缩到半径为8.5费米的核子，电子以光速震荡。

电子激发的光子波长与光子半径：

λ=2hc/m₀c²=4.85 10 ¹²[m]

r=λ/2π=0.77 10 ¹²[m]

两电子激发的场质量增量：m'=nm₀R³/r³

R=³ m'r³/nm₀=³ 1838r³/n

=r·³ 919=0.77 10 ¹² 9.7=7.5 10 ¹²[m]

按场质增的氕原子半径：

R(m')=7.5pm ...(11)

而按½m₀v²=ke²/R，若 v=αc...(12) ，

R=2ke²/m₀v²=1.05 10 ¹⁰=105pm

按α系数的氕原子半径：

R(α)=105pm...(13)

R(m')与R(α)，孰是孰非？笔者认为，前者比较可信，因为可解释核子质量暴增与核子半径。按R(m')反推绕核速度v，有：

v²=2ke²/Rm₀=2 9 10⁹ (1.6 10 ¹⁹)² (7.5 10 ¹² 9.1 10 ³¹)=4.82 10=67.5 10¹²

即： v=8.2 10⁶ [m/s] 3.7αc...(14)

把v=3.7αc作为电子基态速度，对应的原子光谱波长λ=2hc/m₀v²=6.5纳米，为远紫外线。

质量，作为基础物理的重要范畴，迄今尚无自洽的定义，导致物质的 质量 与 能量 两大属性混乱，尤其是 质量亏损 与 质量爆增 自相矛盾。

质量守恒与转换或物质不灭定律， 化学反应方程式 经过 配平操作 成为 质量方程式 。然而， 核反应方程式， 却无法配平为质量方程式。

本文，基于场效应的质增效应，对把“核反应方程”变成“质量方程式”做了量子化的尝试。基本理念是：把所有的玻色子，诸如——介子(W /Z⁰)、胶子(π /π⁰)、光子、声子、中微子(疑似γ光子)、轴子、虚粒子、交换子、传播子、引力子——都统称为场介质(量子)。

场质量增量(m')取决于电子震荡速度， 质量方程 写成： 实体质量=电子当量+场介质， 即：

m=nm₀+m'...(15)， m'=nm₀R³/r³...(16)，

m=(1+R³/r³)nm₀...(17)

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