质量——到底该怎么定义？  

   

                                             质量——到底该怎么定义？

定义——  质量（mass）是量度物体惯性大小的物理量。

单位—— 质量是物理学中的七个基本量纲之一，符号m。

     在国际单位制中，质量的基本单位是千克，符号Kg。最初规定1000cm3（即1dm3）的纯水在4℃时的质量为1Kg。1779年据此用铂铱合金制成一个标准千克原器，存放在法国国际计量局中。

　 在力学史上，质量的定义首先由牛顿提出。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中写道：“物质的数量(质量)是物质的度量并等于密度同体积的乘积。”  “质量按物体的重量来求得，因为它与重量成正比，我经过多次极准确的实验发现了这点。” “我所说的物体有相同密度是指它们的惯性与它们的体积成正比。”  ……

　 在现代物理学中质量的概念有两种：惯性质量和引力质量。惯性质量表示的是物体惯性大小的度量，而引力质量表示的是物质引力相互作用的能力的度量。事实上，通过无数精确的实验表明，同一物体的这两个质量严格相等，是同一个物理量的不同表征。

　 通过重力确定的质量称为重力质量。实际上，人们用惯性来确定质量，用称重法来测量重量，综合起来得到某物体质量m与重量W的关系式：W=mg（式中g为地球上某一地点的重力加速度）。

　 物体的惯性质量取决于其受力时的加速度。根据牛顿运动第二定律，质量为m的物体受到的力为F，加速度为a=F/m。

      在牛顿力学中，物体的质量被看成是不变的，即与物体运动速度的大小无关。在不变外力的连续作用下，原来静止质点的速度增量与力的施加时间成正比；因此，如力的作用时间足够长，质点的速度就会超过光速，这就与光速是极限速度的事实不符。实际上，当质点速度很大时，速度的增量就不再与外力作用的时间成正比，而是要慢一些。当接近光速时，速度增加得越来越慢，因而不会超过光速；同时，由于外力不变，加速度的减小必然导致质量随速度的增加而增大。

　　爱因斯坦于1905年最先提出质量和能量的等效（等价）性。爱因斯坦在其著名的狭义相对论论文中指出：物体的质量是它所含能量的度量；如果能量改变ΔE，则质量就要改变，这就是著名的质能关系式：ΔE=Δmc2 或 E=mc2，其中E 是物质的能量， m是物质的质量，с是真空中的光速，ΔE是能量的变化量， Δm是质量的变化量。几十年后，在核反应中观测到的能量释放与质量改变完全证实爱因斯坦的质能关系式的正确性 。

　　狭义相对论提出了对质量的终极解释：质量与速度有关。关系式是m=m0/(1-ν2/c2)1/2。——

1，系统的相互作用体现为动量变化，惯性运动动量不变，非惯性运动动量随时间改变；

2，由于动量等于质量乘以速度（直接由牛顿第二定律得出），所以同样的动量改变，质量大的速度变化慢，质量小的速度变化快。然而我们知道，牛顿第二定律要被相对论修正，修正后的关系是动量等于质量乘以速度乘以洛伦兹因子：(1-ν2/c2)1/2。洛伦兹因子是一个速度的函数，当速度远低于光速时，洛伦兹因子约等于1；而当速度趋于光速的时候，洛伦兹因子趋于无穷。为保持动量和速度的关系和原来一样，定义了所谓动质量，其值等于质量乘以洛伦兹因子。爱因斯坦著名的方程 E=mc^2中的 m 就是这个动质量，狭义相对论的结论「速度越快质量越大」中的质量也是这个动质量。但是，这么做是多此一举的，因为这个动质量与能量严格正比，我们完全可以用能量来描述这个定义出来的量；而原来那个质量，或者称为静质量，在相对论框架下则有着原来没有的美妙性质，即洛伦兹不变性。此外，式中的m0为静止质量（即牛顿力学中的质量），m为相对论质量。由公式可以看出，一个物体的速度v不可能达到或超过光速，否则分母为一个虚数，不符合已有的物理学基本原理；而光子的静止质量m0=0，其速度可以达到光速。当v远小于c时，m可以近似地等于m0，仍然符合牛顿力学，因此相对论力学在远低于光速时近似于牛顿力学。

　　狭义相对论的质能关系（E=mc2）把惯性质量与物质的另一个物理属性（能量）在数量上联系起来：具有一定惯性质量的物质必定具有相应数量的能量。相应于静质量、动质量、相对论质量（总质量）有静能量、动能、总能量；动能等于总能量减去静能量，在低速近似下就是牛顿力学中物体的动能m0ν2/2。

　　而在广义相对论的框架下不需要定义引力质量，只有惯性质量才是根本。

       在粒子物理学的理论中，有裸质量和物理质量之分。基本粒子是场的元激发；基本粒子周围其他量子场与基本粒子的相互作用会影响它的质量。不计这些相互作用时，自由粒子（孤立粒子）的质量称为裸质量；把这些相互作用的影响包含在内的质量称为基本粒子的物理质量，也就是在基本粒子实验中测得的质量。