质量与相对论.doc

相对质量逻辑性问题探讨
【摘要】 质量是计量学中七个基本物理量之一，在国际单位制（SI），其单位是（kg）。质量也是日常生活中最常用的物理概念之一，随着科学技术的发展不断被赋予了新的内涵，但它们彼此之间并不那么 和谐。
相对论仍然是当今物理学热门话题之一：相对论到底是真理还是谬论？是物理学发展的指明灯，还是现代物理学发展的绊脚石？相对论正误问题，需要引起大家的重视，极其有必要进行探讨。
【关键词】引力质量；惯性质量；狭义相对论；广义相对论
第一章 引言
相对论子提出之时就饱受争论，相对质量的提出更是褒贬不一。但是碍于爱因斯坦对量子力学的重要贡献（光量子假说），或者说人们对新时空理论建立的渴望，人们不希望也不允许对相对论有任何质疑之声。任何年轻的反对之声，都将被视为异类，遭到排挤甚至是制裁。而老一辈物理学家似乎有资格对相对论进行评判，然而他们任何不同的声音，也会被视为思想保守，顽固不化。
上世纪四五十年代，爱因斯坦似乎坐上了物理学教皇的宝座，任何对相对论的不敬都将视为对整个物理学的挑衅与无知。随着时间的推移，人们似乎渐渐淡忘了相对论的不足，似乎渐渐遗忘了相对论只是一个假说，从来都没有被实验证明过这一事实，而毅然决然地将其视为真理。
真理的探寻是曲折的。随着现代科学技术的不断发展，随着爱因斯坦的光环渐渐淡去，人们有重新对相对论产生了质疑。本文主要从相对论在质量定义方面的不足进行简单讨论，以供大家探讨。
第二章 质量
质量是一个让人熟悉同时又陌生的概念：说其熟悉，小到大街小巷大到国际贸易，无不在应用质量这一名词；说其陌生，自从爱因斯坦提出运动质量以词，质量一词就让人摸不到头脑了，甚至一些专家学者也为此伤透了头脑。
质量的本质是什么？这是需要大家重新审视，且应引起大家重视的问题！只要质量的本质确定了，任何违背其本质的推论都是谬论。
（一）重力质量
重力质量是人类接触最早也是最贴近生活的质量的定义，有时现实生活中甚至将重量与质量混用。它是由地球表面物体受到地球引力及地球自转效应等多种作用叠加导致不同质量物体受力不同来定义的。我们用物体在地球表面受力的大小来标度该物体质量的多少。
对此，弹簧测力计似乎是一个很好的测量工具。但随着人类的活动范围不断扩大，这种测量方法似乎就没那么完美了。将货物从A地运输到B地，质量有所亏损，也许很好解释；但是将货物从B的运到A地，质量有所增加，就不得不该好好考虑一下这个问题了。而且各地的分度值不同，也会导致交易过程中不必要的麻烦。所以一个统一的砝码成为了必要。所有物体与该砝码同时同地所受重力的比值，做为该物体质量的标度。这样我们日常所应用的质量概念就确立下来。
但仔细琢磨不难看出：所谓重力质量不过是质量的测量方式，并非质量本质。就如同：可以作为电阻的测量方式，但不可以定义电阻本质。
（二）引力质量
引力质量是伴随着牛顿力学的产生与发展而产生的。由万有引力定律(Law of universal gravitation)得：
（1）
其中，F为两个物体之间的引力，G为万有引力常量，为物体1的质量，为物体2的质量r两个物体之间的距离依照国际单位制，F的单位为牛顿(N)，和的单位为千克(kg)，r 的单位为米(m)，常数G近似地为。
由式（1）得：
（2）
令，则式（2）可化简为：
（3）
如果、r固定不变，则k为常数，则根据力F的大小判定质量的多少，该质量我们称为引力质量。
但是我们在应用式（1）定义质量时应先考虑一下，该式的来源，即常数G是如何测定的。
万有引力常数G最初由卡文迪许扭秤实验测得，其主要思想是：用两个质量一样的铅球同时分别吸引扭秤上的两个铅球。由于万有引力作用。扭秤微微偏转。但细光束所反射的远点却移动了较大的距离。他用此计算出了万有引力公式中的常数G。

图1 卡文迪许扭秤实验
其实无论测量方法如何都是先将、、r作为已知，通过测量F的大小，利用公式来计算G的大小。也就是说质量定义先于常数G而存在，如果再用该公式定义质量，就陷入了逻辑循环的问题了。即两者谁为前提公设，谁为导出量的问题。其实在测量常数G之时，就已规定了、是物体在地球表面的重力质量。根本不存在所谓的引力质量。
（三）惯性质量
有人认为惯性定律是牛顿提出的，理所当然惯性质量也是牛顿提出的。其实不然，所谓的牛顿第二定律是在牛顿死后十年由L.Euler完成的[1]。而惯性质量一词是伴随着相对论的发展而产生的，为了加以区别之前的质量一词被冠以“引力”两个字。
牛顿第二定律正确表达形式为：
（4）
该式说明：当外力一定时，物体的速度改变快慢由该物体质量决定，物体质量越大物体速度越难改变。
物体的质量大小可以由式（4）的变形进行测量，但并不能定义质量，并不是质量本质的反应。
（四）质量的本质
什么是质量的本质？简单来说，质量即物体包含物质的数量。物体包含物质数量越多其质量越大，反之亦然。我们不妨将最大的无物理性质差别的物质单元成为质元。
由此我们可以做一个推论：物体的质量不具有方向性，即各个方向上质量测量值应相同。
第三章 相对论
相对论分为狭义相对论和广义相对论，无论是狭义相对论还是广义相对论都与质量有着千丝万缕的联系。
相对论似乎开拓了物理学史的新纪元，爱因斯坦本人也因此被描绘成有史以来最伟大的天才，甚至于绝大多数人们认为爱因斯坦因此对物理学做出的贡献已经超过了牛顿。[2]
但是我们不但不面对的现实是：相对论自提出至今从来都没有被实验证明过，至今还只是个假说。狭义相对论是为了解释带点粒子在电场中随着速度的增加速越来越困难而提出的，后者并非前者的论据。而让相对论者一直引以为豪的爱丁顿于1919年观察到的光线在通过恒星（即太阳）的引力场时产生的轻微弯曲现象，事实上，当时的测量误差达到了100%。[1]
（一）狭义相对论
狭义相对论有两个公设，即光速不变和相对性原理。光速不变至今仍存在较大争议。根据以上两个公设，爱因斯坦做出了许多推论，例尺缩效应、钟慢效应。关于质量的推论是：加速运动的物体的质量随着速度的增加而增加，即著名的公式：
（5）
（一）公式来源
该式并非爱因斯坦本人导出的，而是借用了洛仑兹在电磁学上的横质量
（6）
至于洛伦兹的纵质量
（7）
爱因斯坦从来都没提及过，因为他根据自己的理论根本就推导不出来纵质量。[2]
式（6）可以很好的解释洛伦兹于1892年发现的带点粒子在电场中随着速度的增加速越来越困难这一现象。但是这只是电磁场中的现象[1]，至于是否适用于中性物体的研究有待考证。
（二）世人的评价
洛伦兹的原意为：电子运动产生电磁场，对电子加速有抵抗作用。速度越大，产生的电磁场越强，对进一步加速的抵抗作用就越大。这等效于电子有一种质量（电磁质量），会随速度增大而增加。[1]
由此我们可以看出：第一，这只是一种等效处理问题的方法，并非物质实质性的增减；第二，这里涉及的是带电粒子，且质量的意义也并非我们平时所说质量的本意。
对此马青平先生给出的评价是：其实，假设电子所受这一电场的电磁力随电子的速度和运动的方向而改变应该是比假设加速运动的电子的质量发生变化更合理的解释。令人遗憾的是，当时的物理学家宁愿修改（电子）质量的概念，也不愿引入运动电子所受电场力的大小与其运动速度有关的概念。[2]
甚至爱因斯坦自己在1948年写给Barnett的信里承认说式（5）“not good”。[1]
（三）思想实验
爱因斯坦曾说：“理论的真理在你的心智中，不在你的眼睛里。”思想实验是爱因斯坦本人极为提倡的“实验”方法，现在就用思想实验证明相对论的自洽问题。
（1）质量凭空产生
在一封闭箱子内有两个球，三者对外构成孤立系统，两球因相互吸引力而分别作加速运动。

图2，质量自增实验
由于两物体对外速度分别增加，根据狭义相对论可得它们的质量也对外分别增加，最终导致质量整体增加。而在外界看来箱子处在隔绝状态竟无缘无故的出现质量自增现象。
如果避免该现象发生，同时又要保障狭义相对论成立，就必须增加一个条件：由于运动物体质量产生增减只在物体速度改变方向上实现。两者速度改变方向相反，质量增加刚好抵消。但是这又严重违背了物体质量大小不具有方向性这一本质属性。
（2）引力质量不变
一宏观物体在均衡引力场（万有引力场），做加速运动。随着速度增加，物体质量增加，所受引力也随着增加，所以加速度不变。因此随着时间的增加有超越光速的可能性，这与狭义相对论公设之一冲突。为了避免冲突，不得不增加限制条件：随速的增加而增加的质量只是惯性质量，物体引力质量不变。但这违背了物理学公认的引力质量与惯性质量是等价的这一事实。
事实又一次说明了，相对论并不具有广泛适用性，或许只适用于电磁学。
（二）广义相对论
广义相对论是爱因斯坦鉴于“双生子佯缪”等诸多由狭义相对论推测出却无法解释的自洽问题进一步提出的。
由广义相对论做出的一个著名推论：加速度与引力场具有等效性。但是爱因斯坦在此忽略了一个问题，就是他在将加速度等效为引力场的同时，将加速度等效为了引力质量。
（8）
其中为物体的静质量，为物体相对于参考系的引力产生的加速度，为物体与参考系之间的万有引力。
物体的质量会随着速度的改变而改变，这已经在狭义以相对论中有所论述。
（9）
式（8）与式（9）更是牛马不相及，更不能自洽了！
第四章 相对质量的合理解释
如果可以否定相对论的正确性，但是涉及相对论的一些现象还需要解释，如洛伦兹于1892年发现的带点粒子在电场中随着速度的增加速越来越困难这一现象。
（一）牛顿定律的适用性

（二）测量质量的操作规范性
结束语
在相对论创立过程中，爱因斯坦加入了过多主观臆测成分，完全不顾及物理的客观性。有些推论完全违背了生活常识，也违背了物理学基本理论。或许人们过于急于建立新时空理论，也或许人热衷于科幻的生活，完全失去理性的对相对论产生了追捧。就如同中国《周易》一般，人们热衷于将其视为算命奇书，也不愿正视其本是儒家的的一本道德教材。人们需要幻想的生活，但这严重扰乱了物理学的正常发展与科学的进步。
在相对论创世之初，曾流传这样一句话“当今世界上真正理解相对论的只有三个人”，人们曾一度将读懂相对论作为自己在物理学界所处地位的标尺。这句话就如同《皇帝的新装》“任何不称职的或者愚蠢得不可救药的人，都看不见这衣服”，使得许多物理学家不顾节操的宣传自己读懂了相对论。
但随着现在科技的发展，许多科技领域并不认同相对论[1]。时间会证明一切，真理最终会浮出水面。
参考文献
[1] 黄志洵.现代物理学研究进展[M].北京：国防工业出版社，2011.
[2] 马青平.相对论逻辑自洽性探疑[M].上海：上海科学技术文献出版社，2004.
[3] 杨本洛.两类“相对论”形式逻辑分析[M].上海：上海交通大学出版社，2011.
[4] 李光炬.相对质量究竟是否物理实在[J].大自然探索，1993，（1）：12-43.
[5] Carl G.Adler，吴治隆.质量真的与速度有关吗,爸爸[J].大学物理，1991，（3）.