质量与体积为什么成正比(质量并不等于重量)
质量并不是重量,那质量是什么呢?
宇宙间大多数的物质都是具有质量的,在日常生活中,我们通常会把质量与重量混为一谈,我们认为质量和重量是同一种计量方式的两种不同称谓,实际上并非如此。对于生活在地球上的我们而言,生活中的确可以认为重量就是质量,但同时也必须要明白,在物理意义上,重量和质量是完全不同的两个概念。
生活中我们通常比较喜欢用“重量”来描述物体,那我们就先来说重量,重量并不是一个物体的本质属性,而是一个依托于重力而存在的概念。在不同的重力环境下,物体的重量是不同的。所以如果减肥的目的是要减掉重量,那非常简单,来一次月球之旅,你的重量就会变为原有的六分之一,因为月球上的重力只有地球的六分之一。
如果减肥的目的是要减掉质量,那就颇具难度了。
因为质量是物质的内在属性,并不会因周围环境的改变而改变,比如你自身的质量为100kg,那么无论是在地球上,还是在月球上,又或者是在完全失重的宇宙空间之中,你的质量都是100kg,这一点是不会改变的。
当然了,如果你真的到达月球之上,你仍然会感觉自己变轻了,因为我们对于自身体重的感知是基于我们所受到的引力作用,无论是对于我们自己,还是对于其它物体,我们能够直观感受到的就是重量,而无法直接感受到质量。有趣的是,我们经常使用的“kg”其实是质量单位,而重量的标准单位应该是“N”,也就是“牛顿”。既然质量是物质的本质属性,那么质量是从何而来的呢?
任何物质都是由更小的物质所构成的,但物质的质量并不等于构成该物质的所有物质质量之和。
这听起来似乎有些拗口,那我们就通过实例来进行说明。如果我们对一个物体进行不断分割,将会分成一个个原子,因为物体是由原子所组成的。但原子并不是构成物质的最小单位,原子本身又可以拆分为质子、中子以及电子。
电子属于基本粒子,也就是物质的最小单位,不可继续分割,而质子和中子还可以分割为夸克。两个上夸克和一个下夸克结合在一起就组成了一个质子。夸克作为基本粒子是有固定的质量的,既然如此,一个质子的质量就应该等于三个夸克质量之和,但实际上并非如此,二者不仅不相等,而且相差甚远,三个夸克的总质量还不及一个质子质量的百分之一。可是质子中除了三个夸克就在没有其它物质了,那么多出来的99%的质量是哪里来的?
其实质子中除了三个夸克,还有其它的物质,但这种物质没有质量,它就是胶子。
胶子和光子一样,是一种不具有静止质量的物质,它在质子中起着一种粘合剂的作用。三个夸克之所以能够结合在一起,是源于四种基本力之一的强核力,而这种强互作用力就是通过胶子来传递的。胶子本身虽然不具有静止质量,但是质子的绝大部分质量却都来源于胶子。原因就在于胶子具有能量。
接下来的问题就简单多了,通过质能方程可知,质量与能量是等价的,所以一个质子的质量就来源于三个夸克的质量以及胶子所拥有的能量。我们知道了质子的质量是从何而来的,那么作为基本粒子的夸克或者电子,它们的质量又来自于何方呢?
电子为什么也会有质量?
无论是夸克,还是电子,作为基本粒子,它们本身都是没有质量的。而在宇宙中遍布着一种量子场,也就是希格斯场,电子在希格斯场中运动时会与希格斯玻色子发生碰撞,碰撞的结果就是以降低速度的同时获取了质量。
所以电子也好、夸克也好,它们的运动速度都低于光速。并不是所有的基本粒子都会与希格斯玻色子发生碰撞,像光子这样的规范玻色子就不会,所以光子没有质量,且速度保持光速不变。关于希格斯场以及希格斯机制,物理学家通过大型强子对撞机已经得到了验证。以上的内容只是从量子力学的角度,寻找质量在微观世界的起源,而质量在物理学中还存在着很多种不同的定义,比如物体运动过程中所产生的惯性质量就是一种等价于引力质量的存在。
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