质量和惯性,哪个才是物体的根本属性?

谁的情感大放送 2024-10-20 14:08:53

普遍被接受的说法是,质量体现了物体抵抗运动状态改变的能力,即惯性的度量。有质量的物体才谈得上惯性,质量直接决定惯性的大小。根据物理学的标准模型,质量并非源自物体的惯性,而是与“希格斯场”密不可分。人们口中的“上帝粒子”,实际上是希格斯场中的场量子化激发。正是希格斯场(粒子)引发了对称性的自发破缺,进而将质量赋予了粒子。2013年3月,科学家们在欧洲大型强子对撞机的实验中证实了“上帝粒子”的存在。

从牛顿力学(牛顿第二定律)的角度看,惯性来源于物体的质量,质量是衡量惯性大小的唯一标准。惯性的强弱直接取决于物体的质量,是物体自身的基本属性,与其他外部物体无关。

牛顿还发现了万有引力定律,该定律表明:质量是物体间吸引力大小的指标——质量越大,它们间的引力也越强。为了与惯性质量区分,人们将这种衡量引力大小的质量称为“引力质量”,而将衡量惯性的称为“惯性质量”。尽管如此,牛顿并未将这两种质量联系起来,他认为它们是两个独立的物理现象。

十九世纪的奥地利物理学家恩斯特·马赫对牛顿的“惯性”概念提出质疑,他认为惯性并非物体的固有属性,而是由宇宙中其他物质的作用所决定。马赫认为,在非惯性系中物体所受的“惯性力”并非虚构的,而是一种引力的表现,是宇宙中其他物质对它的整体作用。换句话说,加速的物体受到的惯性力,是因为它相对于全宇宙所有物质在加速,从而感觉到全宇宙物质对它的反向加速,因此对该物体产生了作用。马赫认为,惯性应当被视为一种现象,而非属性,其背后应该有更深层次的实质。

但马赫关于在没有任何引力作用的太空中(实际并不存在这样的环境),物体不会具有惯性的观点也是过于草率。因为在任何情况下(包括无引力的太空),若物体无惯性,则意味着它会无缘无故地开始或停止运动,不需时间即可加速或立即停下,这将否定了真实运动和空间物质性,也否定了事物之间的联系,陷入了一种孤立、静止的形而上学。

爱因斯坦凭借敏锐的洞察力,从引力质量与惯性质量总是成正比这一普遍现象出发,吸取了前人的见解,特别是马赫的思考(被爱因斯坦称为“马赫原理”)。爱因斯坦认为引力质量与惯性质量本质上是等效的,并提出局域引力(即非均匀的引力)等同于一种虚拟的“惯性力”。如果选取适当的单位,引力质量与惯性质量的比例系数可以设为1,这意味着引力质量等于惯性质量,引力就是惯性力。在此基础上,他进一步深化了这种等效性,提出局域引力场(或称为无限小的弯曲时空)与惯性场(系)等效,这意味着不仅是力的等效,而是整个参考系内的所有物理规律都等效。基于这些洞见,爱因斯坦建立了广义相对论。

广义相对论的核心理念可概括为:物质决定时空如何弯曲,而时空的弯曲又指引物质如何运动。时空的弯曲产生了引力场,引力场的强度取决于物质的质量:质量越大,时空弯曲越厉害,引力场越强。根据等效原理,惯性质量同样会引发时空弯曲。这就是狭义相对论中提到的,高速运动的物体会出现“钟慢尺缩”等时空弯曲现象的原因。在广义相对论中,引力就是惯性力(仅在非惯性系中可体验到惯性力,因此非惯性系可视为惯性系加上引力),而惯性力是虚拟的假想效应,引力自然也是。

尽管爱因斯坦认为惯性与引力有关,但他并不认为引力是物质间的普遍相互作用。他认为,引力只是物质本身引发的时空弯曲的几何效应,与其他物质无关。基于此,惯性力同样被视为物质自身的属性,与其他物质无关。简言之,惯性仍然是物质自身的固有属性,而非马赫所认为的由宇宙中其他物质共同作用的结果。事实上,即便在无引力的太空中,物体依旧会保持“惯性”运动,因为运动是物质的存在方式,没有运动,物质就无法存在,质量也就无从谈起。反之,若无其他物质,该物体本身也不可能存在,更谈不上运动与惯性。

那么,质量与惯性的关系究竟是怎样的呢?

根据前文的论述,爱因斯坦认为质量决定了时空弯曲的程度——引力场的强弱,而引力与惯性力等价。因此,从这个角度来看,质量决定了惯性。例如,光子没有静质量,因此光的传播不受惯性影响,光速是时空本身的固有振动。此外,光的传播无需媒介,因而不存在媒介是否具有惯性的问题。

或许有人会提出,引力质量和惯性质量实际上都离不开力的测量:引力质量需要借助重力加速度和引力,惯性质量需要通过非惯性系的运动加速度和力来确定。似乎没有力,就无法体现质量,质量成为了力的衡量标准。与其说质量引发了时空弯曲,不如说是度量质量的力导致了时空弯曲。从这个观点来看,似乎是惯性(力)决定了质量。至于力的本质是什么,可能需要从微观层面去探究。这里对广义相对论的引力理论给出了一个另类的解读,对与错,这里不予讨论,只能说“质量”、“惯性”、“引力”这些概念都是为了更好地理解和描述自然界现象,是人为的理论抽象,而非事物的本质。

最后,可以用易于理解的语言来做一个总结:既然惯性是物质的固有属性,自然先有物质后有惯性。而质量作为物质的一种属性,甚至是物质最基本的代表特征,应该比惯性更加根本。即使质量和惯性是物质不可分割的两个方面,它们在本质上是统一的。

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