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普遍被接受的說法是,質(zhì)量體現(xiàn)了物體抵抗運(yùn)動(dòng)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(chǎng)”密不可分。人們口中的“上帝粒子”,實(shí)際上是希格斯場(chǎng)中的場(chǎng)量子化激發(fā)。正是希格斯場(chǎng)(粒子)引發(fā)了對(duì)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?cè)跉W洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)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(gè)獨(dú)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(duì)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(duì)它的整體作用。換句話說,加速的物體受到的慣性力,是因?yàn)樗鄬?duì)于全宇宙所有物質(zhì)在加速,從而感覺到全宇宙物質(zhì)對(duì)它的反向加速,因此對(duì)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(shí)質(zhì)。
但馬赫關(guān)于在沒有任何引力作用的太空中(實(shí)際并不存在這樣的環(huán)境),物體不會(huì)具有慣性的觀點(diǎn)也是過于草率。因?yàn)樵谌魏吻闆r下(包括無引力的太空),若物體無慣性,則意味著它會(huì)無緣無故地開始或停止運(yùn)動(dòng),不需時(shí)間即可加速或立即停下,這將否定了真實(shí)運(yùn)動(dòng)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)膯挝唬|(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(chǎng)(或稱為無限小的彎曲時(shí)空)與慣性場(chǎng)(系)等效,這意味著不僅是力的等效,而是整個(gè)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(duì)論。
廣義相對(duì)論的核心理念可概括為:物質(zhì)決定時(shí)空如何彎曲,而時(shí)空的彎曲又指引物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)。時(shí)空的彎曲產(chǎn)生了引力場(chǎng),引力場(chǎng)的強(qiáng)度取決于物質(zhì)的質(zhì)量:質(zhì)量越大,時(shí)空彎曲越厲害,引力場(chǎng)越強(qiáng)。根據(jù)等效原理,慣性質(zhì)量同樣會(huì)引發(fā)時(shí)空彎曲。這就是狹義相對(duì)論中提到的,高速運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)出現(xiàn)“鐘慢尺縮”等時(shí)空彎曲現(xiàn)象的原因。在廣義相對(duì)論中,引力就是慣性力(僅在非慣性系中可體驗(yàn)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(shí)空彎曲的幾何效應(yīng),與其他物質(zhì)無關(guān)?;诖耍瑧T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(jiǎn)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(shí)上,即便在無引力的太空中,物體依舊會(huì)保持“慣性”運(yùn)動(dòng),因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的存在方式,沒有運(yùn)動(dòng),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(dòng)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(shí)空彎曲的程度——引力場(chǎng)的強(qiáng)弱,而引力與慣性力等價(jià)。因此,從這個(gè)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(shí)空本身的固有振動(dòng)。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(huì)提出,引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量實(shí)際上都離不開力的測(cè)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(dòng)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(shí)空彎曲,不如說是度量質(zhì)量的力導(dǎo)致了時(shí)空彎曲。從這個(gè)觀點(diǎn)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(duì)廣義相對(duì)論的引力理論給出了一個(gè)另類的解讀,對(duì)與錯(cuò),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(gè)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(gè)方面,它們?cè)诒举|(zhì)上是統(tǒng)一的。 |
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