《虚拟的实在(4)》——质量是什么

笔者很少会谈到定义性的东西，原因很简单，因为我也不见得会比大家清楚，或者说也未必比大家所知道的准确。不过，刚刚与同好讨论过与质量相关的问题，就跟大家分享一下。

最初的问题是能量能不能转化为物质，我觉得根据$E=mc^2$，是显然可以的，例子嘛，我首先想到在量子场论中的真空是会不断产生和湮灭正负电子对的，因此这可以作为一个证据。但是这个感觉上太遥远了，所以我在互联网搜索了一下，不过搜到的内容大同小异：

当辐射光子能量足够高时，在它从原子核旁边经过时，在核库仑场作用下，辐射光子可能转化成一个正电子和一个负电子，这种过程称作电子对效应。
（正负电子对效应）

我就接着跟同好说在相对论中质量和能量基本上是等价的，并不作明确区分，因此有能量的地方就有质量，反之亦然。于是他便问：化学反应中会有能量变化，那不是不满足质量守恒定律了吗？

事实上，在相对论看来，质量守恒定律本来就不是一个正确的定律，只是在低能宏观情况下，偏离质量守恒定律的程度实在是太小了，一般的测量仪器都难以发现，因此一般认为这个定律是正确的。在相对论中质能守恒定律才是正确的。但问题接着来了，化学反应仅仅是原子、分子之间的重新组合呀，并没有损失或增加物质，哪有质量变化之说？

首先我们暂且不说化学反应之后的原子质量是否有变化，就说质量增加了，难道就一定反映为具体物质的增多吗？让我们从质量的定义谈起。

质量的定义是什么？依稀记得中学物理书是这样说的：物体所含物质的量。当时就这样背了下来，但是现在看来这是一个很荒谬的定义。首先是没有定义物质，其次是没有定义这个“量”是什么，换句话说，它根本就没有定义任何测量！在物理学中，要定义一个量，得同时根据定义得出测量方法，正确来说，应该是物理量应该是根据测量来定义的。比如定义距离，那就要告诉我们怎么测量，比如在空间中建立坐标系，两点的坐标之差就可以定义为距离。没有测量就没有定义。

回到质量上来，感性地讲，质量可以定义为惯性的大小。可是同好又说书上写到惯性只能说“具有”，不能说“大小”。于是我立刻无语了，这是何等荒谬的物理书！它定义了一个所有物体都具有的特性，却说这个特性不能描述具体特征！这样说的话惯性这个概念本身就没用的。这就好比说“人人都有一样东西，但这个东西是看不见摸不着（无法感知）的”，这跟没有这个东西有什么区别？所以我坚持质量就是惯性的大小。

惯性就是物体与生俱来的、维持自身运动状态的特性，显然根据牛顿第二定律$F=ma$（虽然它并不是特别准确），质量越大，物体运动状态就越难改变。所以说质量是惯性的大小并没有错，事实上也是如此，这是惯性质量的定义。

物理中还有另外一个质量，叫做引力质量，顾名思义这是根据万有引力定律来定义的，它说质量就是引力的源。也就是说，能够产生引力场的东西就是质量的体现。这个定义就更广泛了，它并没有说质量一定就体现在具体的物质中，事实上，能量也能够产生引力效应（这属于广义相对论的范畴了），所以说能量也具有质量的特性。至于引力质量与惯性质量，爱因斯坦（及其他一切广义相对论的支持者）认为，两者所定义的质量概念是相同的，也就是说它们是同一个东西。（也就是说，它们所采取的单位可能不同，但是本身是同一的，绝对不会一个是时间、另一个却是长度这样的两个不同东西。）

说到这里，我们还是没有从测量上定义质量，但已经对质量有了一些感性的认识：它产生了惯性，产生了引力，因此我们反过来定义它。比如测量惯性质量，可以通过给物体施加一个力，测量由此导致的加速度而测定。施以同样大小的力，惯性质量较小的物体会比惯性质量较大的物体获得更大的加速度。一个质量较大的物体，则说它有较大的惯性。测量引力质量也类似，当然如果要体现能量的引力效应，则要放到天文尺度上才能体现出来。

说了这么多，也不知道我说清楚了没有。其实这有点班门弄斧，我只是想就我现在的知识水平发表一下对这个问题的看法，也许再过一段时间，会有新的看法，那时候再翻看这篇文章，自然别有一番味道。

转载到请包括本文地址：https://kexue.fm/archives/2036

更详细的转载事宜请参考：《科学空间FAQ》