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小賴子學科學 06. 質量

(2016-02-18 19:15:52) 下一個

早年有過一本書叫《十三經西藝通》。那時管西方的政治叫‘西政’、西方的科技和藝術叫‘西藝’,書名就說出了西藝在中國的十三經典籍裏早已通曉。其中一段讓我忍俊不禁。書道:『夫乾,其靜也專,其動也直。夫坤,其靜也翕,其動也辟。第一句說的是牛頓第一定律(物體總是保持靜止或做勻速直線運動……),第二句說的是化合、化分……』這兩句古話出在《周易》上,虧得作者竟然能找到和物理、化學暗合到這種程度的話來。

其實,《周易》上的話原意是說:易道如何高明,陰陽乾坤又怎生了得。作者斷章取義,用這兩句暗示:牛頓力學有什麽了不起?我們老祖宗三千多年前就知道!可令人難以解釋的是:物理和化學在西方作為科學才三百多年,中國人在弄懂這些道理後的兩千多年都幹嘛去了?

按艾薩克·牛頓想法,質量是物質的基本特性、一切東西都有的。因為它,各種東西才相互吸引,也使我們有重量並能感覺得到。他用這模型解釋了一切一切,三百多年來貼切極了。大概也解釋了為什麽我特別怕鬼(《聊齋》裏的好鬼也不例外):鬼,看不見、摸不著,就因為沒有質量,讓人心裏不踏實、讓人怕的慌。

在他的想法之前,大多數周圍東西都早被稱過(當然也包括動物);連不能直接稱重量的,也有人去稱,也稱得很準。例如,一隻大象(‘曹衝稱象’)。牛頓的想法出來以後,大家頓悟:原來,重量就是質量在一定加速度(單位時間的速度變化)下產生的力(牛頓第二定律)。我們隻有‘力’的感受器(機械感受器)、不能感受到質量,隻能感受到重量;難怪去了月亮的同學一開始都問:這餡餅看著不錯,怎麽這麽輕、夠吃飽嗎?

一個東西在重力加速度下測出的質量(重力質量),和其他力產生加速度下測出的質量(慣性質量,見牛頓第一定律)可能不一樣。於是,有人設計出各種精密的方法測這兩種質量的不同。到現在已經三百多年了,還沒見到成功的。所以今天說,質量是物質的基本特性。

根據牛頓定律就能算出不能稱的質量,像地球。有人估算出地球大概 6×1024公斤;太陽約是地球質量的三十三萬倍,即 2×1030公斤;宇宙能探知的部分,大概總質量4×1053公斤。一個中等的黑洞有一千個太陽的質量,但隻有地球大小。人要是走上去,腳丫子肯定受不了──比起地球來,人重了好幾億倍。但是,走上去之前就不一樣了,人會覺得失重的舒服──渾身輕飄飄的,像嗑了藥似的(牛頓第三定律:相互作用的兩個物體之間的作用力與反作用力總是大小相等……。)

可是,一旦到速度很快(快到接近光速)的時候牛頓的描述就不那麽貼切了。根據阿爾伯特·愛因斯坦在狹義相對論的描述,質量、距離和時間就相互影響起來。幸好牛頓質量的洛倫茲變換就是它在速度很快時的質量,使我們不感到過分困難,並再一次體會了科學的美妙。

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