小物和小理的物理对话录(75)———质量漫谈

◇ 北京 何 龙 孟卫东(特级教师)

前言:小物和小理是两名普通的高中生,他们酷爱物理,在学习物理的过程中,小物经常向小理提出许多刁钻而有趣的物理问题,了解他们的故事也能让你的物理达到新的高度．

1 对话录

小物:高中物理新教材已经使用一学期了,你有什么感觉?

小理:风格变了好多,新增了很多情境问题,我很喜欢!

小物:怎么说?

小理:有情境,真问题,让我愿意去思考:为什么会这样，它还能做什么?

小物:是啊,物理就是要能解决实际问题才有意思啊!

小理:说得没错!那我问你一个问题,你来想想是怎么回事.

小物:快说!别问得太简单,让我失望啊!

小理:你觉得质量是什么?它是描述什么的物理量?

小物:我真是有点失望了,这太简单了!初中物理就已经说过,质量是描述物体所含物质多少的物理量．

小理:嘿嘿，别急!我问你,我们高中学了牛顿运动定律,学了能量、动量,这些都涉及质量,你能用一句“物体所含物质多少”来理解吗?

小物:这个……

小理:你应该还听说过质能方程,也应该简单了解过相对论中所说的速度越大质量就越大的现象．那么这是否说明质量就是能量?是否说明物体跑得快了,所含的物质就多了?

小物:好吧,你这个“简单”问题太难了,我没有想过……一时也想不出什么答案．忽然觉得被书本或别人告知的事情有很多自以为是的东西,以为自己都知道了,其实还有很多逻辑上、体系自洽上的缺陷存在．对于知识,我有点习惯性地接受了,没有主动去思考“是什么、为什么”．

小理:你能这么自省已经很厉害了!老师现在经常说真情境、真问题,其实就是希望咱们能自己动脑筋思考问题、解决问题．

小物:好啦好啦!大道理不用再说,我现在就想知道质量到底是什么!你快给我讲讲吧!

2 小理的解释

万物都是由原子、分子甚至更小的微观粒子组成的,但是物体的质量,并不能简单地用这些粒子的和来描述．

举个例子,在原子物理部分我们学过结合能和平均核子质量的概念,图1就是不同元素原子核核子的平均质量与原子序数之间关系的示意图．明明都是由中子和质子组成的原子核,为什么拆开了和拼在一起质量会不一样?威力巨大的核能,就是来源于这一分一合间的质量变化．说到这里,就不得不提到著名的质能方程E=mc2．

图1 核子的平均质量与原子序数之间的关系

也许很多同学在学习质能方程后都会有这样的想法,如果质量可以全部转化为能量那该多好啊,这样用一根小树枝、一个小石块就能释放出极大的能量,我们人类就拥有取之不尽的能源了．

然而事实并非如此简单,我们首先要承认质能方程的正确性,但它的本意并不是说质量可以全部利用这样一个数学关系转化为能量,而是说质量与能量的等价性．简单来说,就像一枚硬币的两面,质量与能量是描述物体同一属性的两种表述方式．举一个极端的例子,我们想象一个质量为m0的粒子与一个质量同样为m0的反物质粒子相遇湮灭,其释放的能量就是E=2m0c2．这里,我们下意识地会认为质量就消失了．但如果我们把两个粒子放到一个理想的密闭容器中,并且将密闭容器放到天平上称量,如图2所示．你就会发现,正反物质粒子湮灭前后,天平并不会向某一方倾斜．因为粒子湮灭后,其释放的能量依旧被封存在容器中,根据质能方程,其质量不变,天平自然依旧保持平衡．

图2 正反粒子湮灭的理想化实验

所以，从这个角度理解核反应现象会更加合理:无论是核聚变还是核裂变,反应过程中并不是我们通常理解的物质减少了,而是其内部能量释放后,原本以能量形态外显出的“质量”减少了．那么这些核反应的能量到底来自哪里呢?回到前面提到的结合能,其实核子之间从分散到聚合在一起,就会因为彼此之间的相互作用而造成粒子动能和势能的变化,而这种能量变化外显出来就是释放能量以及原子核质量减小．当然,考虑到光速的平方关系,这其中质量的变化数量级极小,而能量数量级却是极大的．以太阳为例,其内部核聚变每秒钟都要释放相当于四十亿千克质量的能量,而这些能量都来自其内部粒子聚合过程中减小的动能和势能．不过大家也不必担心,过去一百亿年里,太阳的质量只减少了0.07%,它还可以燃烧很久．

这样我们也可以理解在相对论中为什么运动的物体质量会更大些,因为运动物体拥有了更多的能量.甚至上紧的发条、被加热的金属,都会因为它们拥有了更多的能量而质量更大．只不过,由于质能方程中光速平方的关系,加上我们日常生活中接触到的能量都较低,这部分能量贡献的质量极小,所以我们无法感知到．

同学们,你对质量的理解是否又深刻了一些呢?希望你能在生活中保持一颗好奇的心,勤于思考;希望你能拥有一份严谨的科学态度,细致科学地去处理发现的每一个问题!我们要相信,物理很有趣,也很有用!