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2022/09/10阅读:20主题:自定义主题1

物理学的第三个基本概念:质量

除了时间和空间外,在物理学中还有一个基本概念:质量。17 世纪之前,人们对大自然的研究基本上局限在运动学问题上,这些问题只涉及时间和空间,与质量的概念无关。质量是因动力学研究的需要而引入的一个基本概念。17世纪初,由于伽利略的开创性的研究,人们开始关心动力学问题,在这种情况下,就必须引入质量的概念来表征物体内部物质的含量。即使如此,在此后的一段很长时期中,质量的概念依然是含糊不清的。直到 19 世纪末,人们对相互作用的本质有了比较深入的了解,才在这个基础上对质量的概念有了比较清晰的认识。

在国际单位制中,对质量的计量一般用千克 (kg) 和克 (g) 做单位。1889 年首届国际计量大会通过了对质量单位“千克”的定义,将保存在法国国家计量局中的一个特制的铂 (90%) 铱 (10%) 合金圆柱体作为一千克质量的基准。质量的这个实物基准一直沿用了 130 年,没有做出过任何改进。

20 世纪 90 年代,人们开始考虑质量的非实物基准。其中一个方向是电磁千克标准:利用磁力与重力平衡时产生磁场所需要的电流强度来计算物体的重量;另一个方向是原子计数测重:利用 X-射线和光学干涉技术测定原子的体积,用材料的总体积除以原子的体积,就可以计算出材料内包含的原子的数目,由此确定物体的重量。这两个方向的研究最终都可以通过若干条物理公式与一个被称为普朗克常数的物理常数联系起来,普朗克常数涉及量子物理学方面的知识,不是一两句话可以讲清楚的,把它留待日后再讨论吧。基于上述两方面的研究成果,2018 年第 26 届国际计量大会决定,采用普朗克常数来定义质量的单位“千克”。

自然界中各种物体的质量差异极大,下面的表格列出了一些具有代表性的物体的质量的数量级。

质量的阶梯

代表客体 质量(kg) 代表客体 质量(kg)
电子 10⁻³⁰ 人体 10²
质子 10⁻²⁷ 土星五号火箭 10⁶
氨基酸分子 10⁻²⁵ 金字塔 10¹⁰
血红蛋白分子 10⁻²² 海水 10²¹
流感病毒 10⁻¹⁹ 月球 10²³
烟花草叶病毒 10⁻¹³ 地球 10²⁵
巨型阿米巴 10⁻⁸ 太阳 10³⁰
雨滴 10⁻⁶ 银河系 10⁴¹
蚂蚁 10⁻⁴ 观测宇宙 10⁵³

结果发现,在人类测量能力的极限范围内,自然界各种物体的质量差异跨越整整 83 个数量级。21 世纪初期的研究表明,中微子可能具有极小的质量。如果这个结论最终得到证实,质量的跨度将要增大 5 个数量级。

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物理

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