物理質量概念的定義
——告別20世紀
志勰
簡介：本文主要討論質量定義在物理研究的擴展過程中的合理性問題。現有物理學中質量的概念定義依賴于力學屬性，忽略掉了物體的存在屬性。提出了在存在屬性基礎上的質量。基礎性的重要的思考的系列文章之一。
一、引言
物理是研究物質運動變化原理的一門學科，在物質的運動變化規律中，力學系統是判定物質運動變化最基本的系統，它的合理性與否，直接決定這個系統是否具有可操作的性質以及這個系統應用的範圍。
在力學系統中，最基本的結構關係是由牛頓三定律所決定的。牛頓第一運動定律定義了慣性，它是物體所存在的固有屬性。對於物體這種屬性在物質運動變化過程中所反映出的量，我們通常採用質量來描述，即：質量是量度物體包含物質多少的物理量①。
現在的物理所發展的領域已經遠遠超出牛頓力學的範圍，同樣的，物體在運動學中表現出來的屬性也已經遠遠不是簡單的牛頓三定律可以合理解決的問題。本文主要討論質量定義在物理研究的擴展過程中的合理性問題。
二、質量的定義途徑
1、經典的定義
採用牛頓第一運動定律所賦予的物體慣性是物體本身固有的屬性，其實質在於給所有的物質建立一種定量的標準。我們知道一千克棉花和一千克鐵在體積和質料上是 完全不同的。根據運動學或者引力場中所反映出的量的屬性給與定量。在運動學中通過牛頓第二運動定律的途徑提供了定量的依據，我們通常把它叫做慣性質量。而 在引力場中通過引力場對物體所施加的作用力同物體的質量成正比的途徑提供了定量的依據，我們通常把它叫做引力質量。兩種途徑都是採用物體所受到的作用力同 質量成正比。
2、兩種途徑所定義質量的內涵
從兩種定義途徑所定義的質量的形式來看，質量的定義定義了物體本身固有的慣性所反映的量同作用力的關係。然而，在物理上同時還定義了另一種含義，即物體的 質與量之間的數量關係，這個關係也來自於質與量的哲學觀念。也就是物體包含物質多少。作為物理單位的質量這種意義更重一些，當然，在人們日常生活中的應用 過程中，也是這種物理上的定義。人們所購買的東西也是所指的這種質、量的數量關係。
3、質量的定義在物理中應用所引起的分歧
在19世紀以前，物理學中對物體本身固有的慣性所反映的量同作用力的關係、質量是量度物體包含物質多少兩種含義是不用區分的，兩種含義都是等效的。但在19世紀相對論誕生後就打破這兩種含義等效。物體包含物質多少就變成具有非常爭議的概念了。
這種爭議的分歧來自於質量的哲學觀念。
物體本身固有的慣性所反映的量同作用力的關係，只要具有這樣特徵的關係，那麼質量的含義就可以看作不變的，依據這種定義，相對論系統無疑是滿足這樣的條件的。
質量觀念的這種相同來自于力學系統的單純的數量形式的相同。
物體包含物質多少，質與量之間的關係無疑不能滿足相對論系統。在物體的高速狀態和物體的低速狀態，物體的質是不同的。接近光速狀態的一個電子，其質量等於 數倍的低速狀態電子的質量。而它們都是一個電子。而在經典（牛頓）力學中，這樣的質量定義永遠不會出現，也不具有任何的可類比性。不論是鐵原子中的一個電 子還是棉花中的一個電子，它們都具有相同的質量。
質量觀念的這種不同來自于力學系統的數量關係中質的不同。
三、質量定義面臨的困難
對質量進行定義的形式是力學的形式，滿足單純的數與量的形式則不能滿足質與量之間的關係，不僅僅是相對論。為了回避光速極限而建立的相對論系統，雖然可以 很好的解決經典的牛頓力學對物質運動模式的普適性，但是，卻無法回避力學基本定義系統中的質與量之間的矛盾。物理最基本概念的定義和力學的形式則會進入到 兩難的局面。要麼維護力學的形式，變異物理基本概念的內涵，要麼維護物理基本概念的內涵，改變力學的關係。
從方法論上來看，解決牛頓力學在光速極限問題上所採用的方法，相對論無疑是非常保守的。除了保持牛頓運動定律在物理上的絕對權威性之外，似乎還不能找出其 它的理由。物理學的發展歷史已經認可了牛頓力學的定量模式，在牛頓力學和電磁理論光速的矛盾上，顯然20世紀的物理學家沒有這個勇氣改變物質與運動之間的 關係，甚至通過改變標準的參照定量系統來滿足牛頓第二運動定律。可見，在傳統的物理觀念中，物質的運動與變化之間的關係，是多麼的根深蒂固！也包括相對 論。
我們不能說哪一種定義的標準是真理，而只能採用哪一種定義的標準對於描述物質的運動變化更為合理！從方法論上我們不能找到真理的標準，對所有物質運動變化 的描述，只在於哪一種描述更為合理，更符合作為物質運動變化的描述系統。方法上的選擇不僅需要物理的邏輯，還需要方法上的選擇。
給一個單位質量的物體，施加一個單位的作用力，這個單位質量的物體獲得一個單位的加速度。這個牛頓第二運動定律所制定的物質的運動與變化之間的默認規範， 和物質存在屬性的本身以及標準的定量系統，那一個更為重要呢？我想這是交給21世紀人們進行選擇的一個科學方法問題。我們需要面對這個難題！
四、質量的定義方法
質量是力的物件的主體，跳出牛頓力學所定義的質量的範圍，這是物理發展到微觀世界的現階段所需要考慮的問題，不僅僅是相對論為了滿足牛頓力學的適用性所可以涵蓋的，還可能包括很多未知的現象，或者我們曾給與的表像的解釋。比如原子核反應中的質量虧損採用質能守恆來解釋。
對於物質世界，物體總是以特定的質的形式而存在，我們所建立的質量的概念就是為了給物體的存在給於定量。物體含有質的量的多少應該是物體質的存在屬性，而 不是物體的受力過程中所反映出來的屬性。即牛頓第一運動定律所反映出來的慣性屬性必須滿足牛頓第二運動定律所表達的適用於所有運動的力學形式。當然，在牛 頓力學對物體運動變化的描述上，仍然要遵守牛頓第二運動定律的規則，這是由歷史的學科所決定。也是建立在宏觀物體運動基礎上的經驗來決定。
質量不但是物體存在形式的，質的量的單位；也是物體存在的，量的質的形式。消除掉質與量之間的形式，那麼就只剩下數與量之間的形式。對於物理的基礎定義系統，則造成這種漏洞和缺陷。
我認為，保留質量物質屬性的物理定義模式對於物理而言是非常重要的，質量作為物質運動變化的客體是物理描述形式所描述的物件，對物質的運動變化描述所採用 的手段和方法則應該歸入到工具的行列。物質的存在屬性是第一性的，是我們需要首先確定的屬性，也是作為物理系統基本概念最基本的。對於物質存在屬性狀態描 述的兩種量——時間和空間，它們依賴於物質存在屬性的定義。
五、質量及相關關聯量的定義
脫離開物體質量的力學屬性，那麼如何對質量進行定義呢？
採用物體運動變化的力學屬性來定義質量，不能反映物體存在的質的量的屬性。那麼，只能從物體的存在上來定義物體的質量了。作為對物體含有物質多少的單位質 量，應選用物體存在的一個微小單元物體來作為一個標準的質量單位。這種質量的定義模式和原子領域原子量的單位有點相類似的。但不同的是原子量是一種關於原 子質量的相對量。我個人認為採用電子作為微小的質量單元是比較方便的。用這個標準的微小單元的質量去度量其他的基本粒子乃至常規的質量單位。
這樣定義的結果和傳統的對質量的定義模式存在著本質的不同，這種不同在於它是採用電子的存在屬性來定義的，它不依賴于力學屬性。它只表示一個電子的物質所具有的質量為一個電子質量單元。用這個電子質量單元去組建標準的質量單位。
描述物體狀態的另一個量則是空間，傳統對空間長度標準單位的定義，一個是1875年的米原器，另一個則是1960年後採用原子輻射波長的原子米，現在是 1983年“米使光在真空中，在1/299792458秒的時間間隔內運行距離的長度”②。這是我們所採用的米制定義。傳統的米制單位制中存在這樣的缺 陷，米原器受制于米原器的材料的結構力學屬性，要定義溫度等環境力學因素。採用原子米制單位以及光在真空中運行的長度，無法建立一種絕對的長度單位，都是 一種相對的長度單位。和參照系的關係會使問題複雜化。
我建議的長度單位採用電子的直徑作為一個標準的長度單元。用這個長度單元去組建標準的長度單位。這是建立在電子存在屬性上的長度單位制定方法。
它具有這樣的優越性：由於電子對外作用的各向同性，因此，在任何一個慣性參照系中，電子的力學結構可以作為一個標準的球體。它不依賴於參照系統的所導致的力學屬性。③
當然採用別的基本粒子作為存在屬性長度的定量單元也是可以的。
從最微觀的角度給質量進行定義，在目前實際的可操作性並不是很大。電子質量測定的精確性這一點在目前也是不能做到的。但它可以提供一種理論的意義。
六、定義存在質量的意義
採用物體的存在來定義物體的質量，是將物體質量的質與量的存在屬性關係同牛頓第一運動定律中定義的物體的慣性的力學屬性及牛頓第二運動定律定義的質量的力學關係區別開來。這樣可以使物體的質量脫離質量的力學定義屬性。
截止到目前，我們對物質的運動所採用的描述範式都是採用質量的力學屬性，其特徵是物質質量依賴于力學的屬性，反映在物體的運動狀態變化上，嚴格遵守牛頓第 二運動定律的規範。不妨將這段對物質屬性定性的時期叫做物質質量屬性的力學時期。物理的描述系統從開始由牛頓建立這種牛頓力學範式，20世紀初被愛因斯坦 的相對論進行了進一步的引申和發展。我想，把物質質量觀念的力學屬性時期叫做牛頓-愛因斯坦對物質屬性定性的時期也是合適的。
七、結束語
質量作為對物體所含物質多少的度量，是採用物質質量的力學屬性，還是採用物質質量的存在屬性，在物理科學所選擇的物質屬性定性方法上出現分歧。同樣也會導致在描述模式上的分歧。
我個人認為採用物質質量的存在屬性作為對物質存在描述的定義系統更客觀一些。也許歷史會以它特定的方式進行選擇！
2005.12.31
附錄：
①《簡明物理學詞典》上海辭書出版社 徐國保 王福山主編 1987年12月第一版 p404
②《簡明物理學詞典》上海辭書出版社 徐國保 王福山主編 1987年12月第一版 p50
③電子的標準球體看作與參照系統無關和相對論是有衝突的。根據相對論運動參照系的沿運動方向空間長度收縮的概念，電子會成為一個橢圓球或者是一個扁圓體。但根據相對論的各個慣性參照系平權，電子對外作用各向同性，電子為標準的球體也是符合力學的判斷原則。
樹欲靜而風不止，還是風欲靜而樹不止，這個恐怕是很難說的。物理的發展似乎越來越說明了這個問題。尋找大千世界的究竟，追尋清晰物理世界的映射或者認識物質世界的本身，精確和明晰大概就是物理發展的初因吧！
二十世紀物理發展進入到一個微觀前所未有的領域，物不是肉眼可見之物，理也非採用三段邏輯論可以辯明的物質運動變化之理，從意識觀念發展的解決問題的思維角度，似乎20世紀的西方科學理念已經和中國古老的東方哲學對易！大概是山不轉水轉了，東方尋求的思路卻是明晰之道！
實事求是，科學需要的也許正是這樣！ 志勰 2005.12.25
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