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小赖子学科学 06. 质量

(2016-02-18 19:15:52) 下一个

早年有过一本书叫《十三经西艺通》。那时管西方的政治叫‘西政’、西方的科技和艺术叫‘西艺’,书名就说出了西艺在中国的十三经典籍里早已通晓。其中一段让我忍俊不禁。书道:『夫乾,其静也专,其动也直。夫坤,其静也翕,其动也辟。第一句说的是牛顿第一定律(物体总是保持静止或做匀速直线运动……),第二句说的是化合、化分……』这两句古话出在《周易》上,亏得作者竟然能找到和物理、化学暗合到这种程度的话来。

其实,《周易》上的话原意是说:易道如何高明,阴阳乾坤又怎生了得。作者断章取义,用这两句暗示:牛顿力学有什么了不起?我们老祖宗三千多年前就知道!可令人难以解释的是:物理和化学在西方作为科学才三百多年,中国人在弄懂这些道理后的两千多年都干嘛去了?

按艾萨克·牛顿想法,质量是物质的基本特性、一切东西都有的。因为它,各种东西才相互吸引,也使我们有重量并能感觉得到。他用这模型解释了一切一切,三百多年来贴切极了。大概也解释了为什么我特别怕鬼(《聊斋》里的好鬼也不例外):鬼,看不见、摸不着,就因为没有质量,让人心里不踏实、让人怕的慌。

在他的想法之前,大多数周围东西都早被称过(当然也包括动物);连不能直接称重量的,也有人去称,也称得很准。例如,一只大象(‘曹冲称象’)。牛顿的想法出来以后,大家顿悟:原来,重量就是质量在一定加速度(单位时间的速度变化)下产生的力(牛顿第二定律)。我们只有‘力’的感受器(机械感受器)、不能感受到质量,只能感受到重量;难怪去了月亮的同学一开始都问:这馅饼看着不错,怎么这么轻、够吃饱吗?

一个东西在重力加速度下测出的质量(重力质量),和其他力产生加速度下测出的质量(惯性质量,见牛顿第一定律)可能不一样。于是,有人设计出各种精密的方法测这两种质量的不同。到现在已经三百多年了,还没见到成功的。所以今天说,质量是物质的基本特性。

根据牛顿定律就能算出不能称的质量,像地球。有人估算出地球大概 6×1024公斤;太阳约是地球质量的三十三万倍,即 2×1030公斤;宇宙能探知的部分,大概总质量4×1053公斤。一个中等的黑洞有一千个太阳的质量,但只有地球大小。人要是走上去,脚丫子肯定受不了──比起地球来,人重了好几亿倍。但是,走上去之前就不一样了,人会觉得失重的舒服──浑身轻飘飘的,像嗑了药似的(牛顿第三定律:相互作用的两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等……。)

可是,一旦到速度很快(快到接近光速)的时候牛顿的描述就不那么贴切了。根据阿尔伯特·爱因斯坦在狭义相对论的描述,质量、距离和时间就相互影响起来。幸好牛顿质量的洛伦兹变换就是它在速度很快时的质量,使我们不感到过分困难,并再一次体会了科学的美妙。

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