(阿尔伯特.爱因斯坦)
惯性和什么有关,中学时代最难理解的一个概念。
为什么难理解,因为中学课本没有讲清楚。
很多人以为已经搞懂了“什么是惯性”(包括小编自己),其实只是强迫自己接受教科书的生硬解释。这使得物理变得难懂无趣。
实际上,直到2013年诺贝尔物理学奖颁布,人们才真正确认了什么是物体的惯性。
牛顿
1、“惯性”概念的提出
提出惯性概念的是牛顿为首的科学家:
一个物体不受力,或所受的合外力为零,则物体将保持原有的运动状态。
而要让一个物体(m)运动,就需要给物体施加一个外力(F),则力与物体、质量的关系满足:
F=ma
其中a是物体的加速度,表示每秒钟物体速度的变化量。
根据这个关系式,人们定义了物体的重量为:
G=mg
其中,g为重力加速度。
即惯性只与物体的质量有关系。
物体有质量,所以物体有惯性。这就牛顿对物体惯性的解释。
显然,要弄清楚物体的惯性是什么,就要弄清楚物体的质量是什么。
那么物体的质量又是什么东东?
2、物体为什会有质量
爱因斯坦给出的答案是,物体的质量由能量转换而来。能量(E)与物体质量(m)及光速(c)三者满足关系式:
这就是著名的质能转换公式。
但是这个公式只是说明了物体质量的起源,仍然没有讲能量是通过何种方式转换成质量的。
3、“上帝粒子”的提出
1964年,英国物理学家希格斯及多位科学家提出,真空中一定存在某种粒子,使得能量在运动的过程中受到阻力,从而表现出了质量。这种粒子又称为“上帝粒子”。
2013年,欧洲大型强子对撞机证实了这种粒子的存在,把它命名为“希格斯玻色子”。(相关词条解释可到网络搜索)
4、质量的本质
质量不再是一个固定的恒量,它表现出的大小由物体的能量和物体所在的空间介质共同决定,是一个相对的量。
同一物体,在不同的介质空间会表现出不同的质量。
比如,物体在空气中和在水中运动,如果受到的合外力相同,则在水中的加速度要小,则按公式F=ma,物体在水中的质量变大了。
又如,一颗在空气中质量为10克的钉子,如果要用2000牛的力才能把它压进木头,则意味着钉子的在木头中的质量会变为200千克,扩大为原来的2万倍。
而目前我们所规定的质量,指的是物体在希格斯玻色子场中产生的质量。
5、惯性是什么
搞清了质量的含义,就可以回答题主的问题:
目前教科书里说的惯性,仅是指物体在希格斯玻色子场中表现出的运动属性,并不考虑其他空间介质的影响,因而它是不变的。是狭义的解释。
而广义的解释是,同一物体在介质不同的空间中所表现出的惯性是不一样的。所谓惯性,就是空间介质对运动物体的影响。
6、由惯性讨论引发的两个悬案
A、希格斯玻色子是有质量的,它的质量从哪里来?是否意味着还有其它更小的粒子让它产生质量。
B、目前的最大光速是指光子在希格斯玻色子场中的速度,如果宇宙中存在比希格斯玻色子场密度更小的空间,光速会超过现有最大光速,即爱因斯坦的光速不变原理将不成立。
(写作仓促,如有不到之处,敬请指正。)