大学力学物理附件-质量及其起源

质量及其起源1.什么是质量？2.惯性质量和引力质量是一回事吗？3.质量守恒吗？4.质量的起源---我们从哪里来？部分内容摘自：曹则贤，质量与质量的起源《物理》37卷,355页(2008)1.什么是质量？质量是物体所含物质多少的量度(物理学名词字典)。按Newton第二定律：f=ma，“质量是把施加在物体上的力和所引起的加速度联系起来的一种特性。”(Halliday第六版)---没有质量的物体不知道怎样运动！在一般教科书中它定义为：物体运动惯性的量度，或称惯性质量。是通过动力学测量的。按Newton的万有引力定律：f=Gm1m2/r2,质量是物体引力大小的量度，称为引力质量。是通过静力学测量的。按Newton的描述：质量（物质的量）为物质的密度乘上其体积。这个说法看上去也许太简单了，但其实大有深意：(1)它指明物质在量上的区别在于其致密度(density）；(2)物质的量是体积那样的广延量，即质量具有可加性。质量相加性在一些文献(如诺奖得主Wilczek)中，被誉为牛顿第零定律。以上是经典物理学对质量的描写。Einstein用能量来描写质量---质能关系Einstein的质能公式E=mc2可以写成：m=E/c2，后者表示可以用能量来解释质量。事实上Einstein一开始就知道这一点，他在1905年的论文所用的题目是：“物体的惯性是否依赖于其所含的能量？”，并导出了m=E/c2而非E=mc2。Einstein考虑的是基本物理学而非原子弹。2.引力质量和惯性质量---相对论等价原理惯性质量和引力质量是一回事吗？当惯性质量和引力质量成正比时，我们总可以选取它们的量度标准，使二者相等。所以,“惯性质量与引力质量成正比”和”惯性质量与引力质量相等”是等价的。实验证明，任何物体的惯性质量同它的引力质量严格地成正比。这个结论经受了300年来精确的实验检验，精确度从牛顿时代的10-3发展到10-5(1830年)、3×10-9(1922年)、1.3×10-11(1964年)和10-12(1971年)。但物体的引力质量是不是就是它的惯性质量呢？或者说，惯性是否就是引力的源泉呢？当然不是。惯性是物体抵抗外力改变其机械运动状态的本领，引力的源泉是物体产生引力场的本领，它们是物体两种完全不同的属性。Einstein曾以地球和石头间的引力为例，来说明引力和惯性是两种完全不同的物理属性。他说：“地球以重力吸引石头而对其惯性质量毫无所知．地球的‘召唤’力与引力质量有关，而石头所‘回答’的运动则与惯性质量有关。”既然惯性和引力是两种不同的属性，而它们之间却存在严格的正比关系，是否它们是物体同一本质在不同方面的表现呢？回答是肯定的。广义相对论指出，物体的惯性和引力性质产生于同一来源。在广义相对论中，有一些参量一方面表现为物体的惯性，另一方面又自然而然地表现为引力场的源泉。因此，目前普遍认为：物体的惯性和引力性质来源于物体的同一本质。爱因斯坦就曾把这两种质量的等同作为他建立广义相对论的出发点。3.质量守恒吗？经典力学里关于运动的第零定律是质量守恒!(由于它过于基本所以牛顿没有明确指出!)物体的质量被认为是独立于它的速度和任何施加于它的外力的，总质量既不产生也不消灭，只是在物体相互作用的时候重新分配!(如今我们知道这种说法并不十分正确!)质量守恒的想法在近代物理中是错误的。量子色动力学的一大成就就是用质量严格为零的胶子和质量非常小的上夸克u、下夸克d构建了在一般物质中占质量99%的质子(uud)和中子(udd)。4.质量的起源---我们从哪里来?物质的质量来自原子，原子质量主要来自核子（质子和中子），核子由夸克和胶子组成。而由夸克组成的基本粒子可以有不同的质量。为什么基本粒子会有各自不同的质量呢？根据粒子物理的标准模型，空间被一个“Higgs场”所充满，粒子通过与这个场相互作用而获得质量。与Higgs场作用强的质量就大，反之质量就小。这个Higgs场至少联系一个新的粒子，称为Higgs玻色子(Higgs子)。1988年诺奖得主莱德曼称它为“上帝粒子”。但Higgs子的存在尚未被实验所证实。•等待LHC(大型强子对撞机)寻找到HiggsBosonLHC(largeHadronCollider)位于法国与瑞士交界处（日内瓦附近）的欧核中心(CERN)，该中心拥有占世界半数的粒子物理学家。CERN是每秒钟都可能产生奇迹的地方，也是WorldWideWeb真正的发源处。LHC从9年前开始建造，计划耗资39亿欧元。主体位于地下100米深的一条周长达27公里的环形隧道里，走完全程要花4个多小时。它可以把二个质子束流分别加速到7TeV(7×1012eV)的超高能量并使之对撞，以产生新的粒子，和模拟早期宇宙的生成。Higgs玻色子被认为会出现在宇宙大爆炸之初，以后会瞬间消亡。但我们仍未在宇宙中找到它。LHC最近很快就会运行，寻找Higgs玻色子是其研究目的之一。但是要得到确切结果，可能须等待几年。因为LHC会产生海量数据，达每年15PB(即1500万GB)。这种规模的数据分析不能在个人电脑上运行。CERN正在开发将世界各地的主要计算中心连接起来的计算网格。要靠全世界数千科学家的努力，LHC才能告诉我们是否找到Higgs子的消息。有了Higgs子，物质质量起源之谜将会揭开。Thankyou!Thankyou!