经典力学质量概念的发展及其两个方面的困难

经典力学质量概念的发展及其两个方面的困难

质量是物理的一个非常重要的物理概念。质量概念的发展与其他物理概念的发展一样，经历了一个漫长而漫长的历史过程，其中包括丰富的物理思维和方法。物理学的思想方法中比较重要的有三种:一是质疑和释疑,二是假说和验证,三是唯象和机理1质量概念的演进物理中的质疑一般包括四个层次。第一层次是由于对问题本身缺乏清晰的了解而形成的质疑;第二层次是由于已有知识不够,致使问题无法解释而形成的质疑;第三层次是由于观察了问题的解释与原有的理论解释相矛盾而形成质疑;第四层次是由于理论内部不自恰而形成的质疑在物理学发展史上,牛顿第一个将物质的量作为建立动力学的最基本的物理概念而引入物理学,并加以明确定义。牛顿在1687年发表了《自然哲学的数学原理》。在《原理》第一部分的八个定义中的定义1就定义了物质的量,即为:物理的量是用它的密度和体积一起来量度。在牛顿看来,在这个质量的定义中,,密度是比质量更简单,更基本的概念。牛顿根据波义耳关于空气容积和压力的实验,从密度方面得到质量的概念。既然在一定量的空气中,压力与体积成反比,因此他们的乘积是一个常数,可以用来量度一定容器中的空气的质量。牛顿在执笔写《原理》时,在笔记中曾经记述过密度就是(物理的量)/(体积)。不过牛顿在说明这个定义时,说质量和重量成比例,指出可以通过测定重量决定其质量。关于质量和重量成比例的问题牛顿是用摆进行精密的实验来证明的。用不同物质制成形状相同、重量相等、同样长度的两个摆使它们同时摆动时,总是以同一步调来回摆动,这样就表明由于两个重物上作用的力和各自的质量成正比,因此就有同样的加速度。这个实验是记在《原理》的草稿中,后来在《原理》第三部分命题六的说明中作了叙述马赫强调,经典力学质量概念在两个方面是存在困难的,一是不合理地设置了力学的首要概念和定理;二是悄悄忽略了演绎基础下的重要假设。在马赫看来,如何克服这两方面的困难正是促进质量概念发展的原因所在。马赫用人们经常使用重力定义质量来进行说明:“人们在用m=p/g的同时也使用p=mg,这是一种非常令人反感的循环(repugnantcircle),或需要设想力是一种压力。”出于第一个困难的考虑,马赫重新设置力学基础中的首要概念,选择加速度定义质量。针对第二个困难的考虑,他开始建立两个同种类物体质量与加速度的关系.马赫谨慎地使用充分原因定律建立质量比与加速度比关系,并认为对这种关系的认识是通过经验的严格考查而获得的。在获得了两个同种类物质物体质量概念的质量比与加速度比关系后,马赫进一步将这一关系推广到多个(两个以上)物体。把一个物体的质量作为单位质量,用它来计算其他物质的质量,从而借助单位质量概念建立了质量比传递性关系。同种类物质物体的质量比与加速度比关系获得后,马赫将这一关系推广并应用到不同种类物质物体的质量比定义。最后马赫论证了不同类型力的相互作用物体的质量比与加速度比关系。马赫还设想了一个思想实验证明质量比与不同种类物体和不同种类的力的作用无关。这样就摆脱牛顿的质量定义与力的定义中包含的逻辑上的循环论证。后人采用的质量的可操作型定义就是来源于马赫的思想2惯性质量和引力质量的物理实验为释疑而提出的尚未经实验(实践)证明的逻辑命题或逻辑体系称为假说。为考察假说或其他推理的正确性而进行的实践(实验)活动称为验证。由定义可知,假说是释疑的方法之一。假说的三个基本特征:第一是力求解释所有质疑,因为它具有明确的针对性;第二是尽量使用已有的理论,必要时才补充新的理论;第三是它应是质疑最佳的最可靠的解释,即在诸释疑方案中,假说是能使质疑获得圆满解释中的可能性最大的一个。验证的方法主要是物理实验。在物理学的发展中,验证的内容主要是由假说出发,按物理演绎推出某种预言,这种预言或可被实验证实,或可在实践中发生,一般说,实现了预言的结果,假说就得到了验证。惯性质量和引力质量是从两个相互独立的(牛顿第二定律和万有引力定律)分别定义的反映同一物体的两种不同属性的物理量,一个表示物体运动状态改变的难易程度,一个表示物体吸引其他物体的能力,这两者之间有无联系呢?在物理学史上,对两者关系的认识是经历了从假设到验证的过程得到的。设离地心距离为R的地点有质点m这一等式的验证首先要验证不同的物体重力加速度相同。伽里略在1638年发表的《两门新科学》中,论述了作自由落体运动的物体在相等的时间间隔内下落的距离呈从1开始的奇数序列的规律,同时验证了g与物体无关牛顿用单摆实验研究惯性质量和引力质量是否相等,单摆周期为,更精确地检验惯性质量和引力质量等价性的实验是匈牙利物理学家厄缶在1896年所做的扭秤实验。实验中既考虑了引力又考虑了因地球自转引起的离心惯性力。厄缶以铂为标准,分别比较了八种不同的材料的惯性质量和引力质量,得到的结论是,在精确度在103质量概念的界定不涉及问题的微观机理,只从宏观现象上充分占有问题的条件和结论,称之为维象性处理。从微观机理上释疑,称为机理性处理。维象性处理得到的理论是维象性理论。维象性处理思考的特征是:第一,思考的侧重点不是为什么而是是什么;第二,思考的基础是与质疑有关的,甚至是彼此相类似的大量实验材料;第三,思考成果主要是实验定律,而不是物理定理、原理。维象性理论虽然不能在理论上彻底释疑,但由于弄请了问题的本身,基本上全面占有了现象和结论,从而具有相当的实用价值。另一方面维象性理论又是清晰微观机理的必要前提条件之一。只有清楚了全部的事实,才可能正确地去粗取精,去伪存真。所以在质疑问题的微观机理一时难以清晰的条件下,先对其采取维象性处理,便是释疑的一个有效的思维方法。在最初形成质量概念时,人们对于质量概念的思考的“侧重点不是为什么而是是什么”。牛顿将“质量”称做“物质的量”,今天看来,物质的量和质量是两个完全不同的概念,1971年国际计量大会把“物质的量”单位规定为摩尔,摩尔是一物系的物质的量,该物系中包含的结构粒子与0.012Kg随着对质量概念的认识的发展,人们认识到牛顿质量概念在一定意义上肯定了物质的客观性和永久性,但是牛顿断言物体的质量是不变的,使他的质量定义带上了形而上学的原则性缺陷。后人的研究发现质量并不是不变的,而且质量还与粒子的波动性相联系,这是牛顿经典力学无法解释的。1876年美国的物理学家罗兰用实验证明一个静电荷当它快速转动起来后,对磁针会产生影响。在电子论出现以后人们由罗兰实验想到,既然带电体运动会产生磁场,因而使带电体运动,比让不带电体运动需要做更多的功,这就好像存在着某种和电荷的场连在一起的“附加惯性”。这种由于电磁作用而产生的“附加”质量被称为电磁质量。1901年德国的物理学家考夫曼用放射性镭盐发出的β射线通过电场和磁场进行实验,对电子的荷质比和速度作出测量,结果发现电子的质量随运动速度的不同而变化。爱因斯坦在《论动体的电动力学》中讨论了这个