



说起质量,似乎是个大家都很熟悉的物理量,知道一些物理基本知识的,都听说过质量这个物理量。1960年第11届国际计量大会通过的国际单位制,将质量确定为七个基本物理量之一,其名称为质量(mass),简写为 M 或者 m ,其国际单位名称为“千克”,符号为kg,并做了文字定义:1千克等于国际千克原器的质量。
翻阅文献我们会发现,最初定义的质量单位,是在米的基础上规定的,即规定1 dm 3 的纯水,在4℃的时候质量为1 kg。既然是在规定了长度单位的基础上来规定质量单位的,为什么还会选质量作为基本物理量呢?
首先一个可能的原因是,物理学始于质量这类抽象概念的创造。
物理学是怎么开始的呢?事实上,物理学家一直都试图用物理学理论解释现实世界,这些理论不仅仅是一系列定律的集合,它更是人类对于一些感官世界的主观感受并进行再创造的结果。比如,三棵树和两棵树有何不同?两棵树又不同于两块石头,2、3、4这些数字的概念是对它们所属物体进行抽象后得到的。物理始于质量,力和惯性是这些抽象概念的创造,它们也导致了机械观的形成。
我们在选长度作为基本物理量之一的同时,也规定了质量作为基本物理量之一。我们最初用了4℃时候的水来规定标准千克,这是因为在不同温度下的水的密度不同,可我们没有用密度作为基本物理量,究其原因,还是因为人类在质量上的获知,来源于更为直觉的感官。人们看见一把椅子可以坐上去,看见锅里的馒头可以拿来吃,但是看见海市蜃楼,就算弄清了是怎么回事,却怎么走也走不到。所以人们更倾向于用能够直观感知的事物作为基本的理论支撑。很明显,密度需要测量,它不是人体的五大感官能直接感受到的,也不是人的感觉系统能够直接察觉到的,以至于我们现在还经常需要通过质量来计算物质的密度。
最初人对于质量的感知,是通过“沉重”这一描述,艾萨克·牛顿就使用拉丁单词“gravitas”表示“沉重”,不过他是用这个单词来命名现今的引力(gravity),并且定义了万有引力定律。很明显,“沉重”其实跟今天人们常说的“重量”一词很相近,但“重量”不是“质量”。不过在牛顿之前还真没有什么人去区分过它们,要知道那时连“质量”这个说法都没有,比牛顿更早的伟大的物理学家伽利略·伽利雷虽然有个著名的比萨斜塔实验去说明“物体下落的快慢与质量大小无关”,但当时伽利略在论述他的观点时用的也是“物重”,“在没有空气阻力的情况下,重的物体和轻的物体下落一样快”。
图2-1 伽利略画像
图2-2 比萨斜塔演示自由落体的实验
重量当然不是质量,这是每一个学习过初中物理知识的人都知道的。重量和质量的差别是很大的。
首先,重量是个日常概念,对应的科学概念应该是“重力”。“重力”在中学课本中定义为“因为地球吸引而使物体受到的力”,并且会说明这是根据力产生的原因而进行命名的一种基本的性质力。但随着人们对物理量认知的深入,慢慢我们会知道重力其实只是地球给物体吸引力的一部分,另一部分可以看成是让物体跟着地球一起绕地轴转动的向心力。所以重力的命名,应该说是日常生活中物体给我们的感觉体验上的沉重感,从这个角度讲,它应该是按作用效果来命名的一种效果力,与支持力、阻力、动力、向心力的命名方式一致。我们也由此可以知道,概念虽然是人类理解中最稳定的结构,但在我们成长的过程中,在社会的变迁中,我们的概念或者说对概念的理解仍然处于不断的变化之中。我们可以看到身处的星球不同,或者即便就在地球上,但身处的纬度不同,同一个物体的重力也可能是不同的。“重量”或者说“重力”,这个物理量具有这样大的不确定性,自然也就不能作为基本物理量之一了。
那么,质量究竟是什么呢?说到质量的定义还是要说回牛顿,是他第一次定义了“质量”这个概念。