柴江琦

一、引言

质量是物理学中的重要基本概念之一，在牛顿的经典力学以及狭义相对论中都同样存在质量这一基本概念，这两种力学对质量的理解和定义虽然有一些类似之处，但是也存在一些差异，特别是在惯性质量这一概念的理解上如果没有深刻理解两种力学中的异同就会产生对概念理解的错误，造成概念的混淆。因此需要首先分别准确理解惯性质量在牛顿力学以及在狭义相对论中的具体涵义，并对其异同之处进行深入的比较和分析。

二、牛顿力学中的惯性质量分析

在牛顿力学的运动第二定律的公式F=ma里，m表示的是物体固有的质量。而根据该公示我们可以看出，如果在相同作用力的条件下，具有较大固有质量的物体的加速度相应的比较小。而加速度小则意味着速度的变化程度比较小，也就是说物体的惯性比较大。相反，加速度如果比較大就意味着速度的变化程度比较也大，也就是说物体的惯性比较小。由此可以得知，固有质量将直接反映出物体的惯性大小，所以也就被称作惯性质量。在惯性质量这一概念中所体现的是物体的惯性大小量度，而这也正是惯性质量在物理学中的意义。

根据牛顿力学的理论，如果没有外力存在时，则动量守恒定律成立。由相关公式可以得出，当固有质量比较大时，其速度的改变比较小，而固有质量比较小时，其速度的改变也比较大。速度的改变比较小时，说明其速度很难被改变，也就是说其惯性比较大；而当速度的改变比较大时，则说明其速度比较容易被改变，也就是说其惯性比较小。由此可以得出结论：具有较大固有质量的物体的惯性比较大，而具有较小固有质量的物体的惯性也比较小，所以固有质量也可以被称作惯性质量。

三、狭义相对论中的惯性质量分析

在狭义相对论的理论体系中，如果没有外力存在时，动量的守恒定律同样可以成立。根据狭义相对论的相关公式可以看出，具有加大静止质量的物体，其三维空间的速度改变就比较小；而具有较小静止质量的物体，其三维空间的速度改变也比较大。如果三维空间的速度改变比较小时，说明很难改变它的运动状态，也就是它的惯性比较大；而三维空间的速度改变比较大时，说明比较容易改变它的运动状态，也就是它的惯性比较小。由此我们可以得知，具有较大静止质量的物体的惯性比较大，而具有较小静止质量的物理的惯性也比较小。所以在狭义相对论的理论范畴内，可以将静止质量看成惯性质量。

有的研究报道中将m看作运动质量，由此认为物体惯性质量大小将随着运动速度的改变而发生变化，且将其解释为物体惯性将随着其运动的速度变化而改变。此类解释存在的主要问题是并没有清楚地理解物理的本质。我们首先必须要明确的是，狭义相对论理论体系内的惯性质量概念所指的仍然是粒子或质点固有的质量。

虽然根据狭义相对论的理论，粒子或者质点的三维动量P和能量E都会随着速度的增加的而增加，但其实质并没有体现出惯性质量大小将根据质点的运动速度变化而发生改变。这这里所必须注意的是，只有在人为规定m值与速度变化的关系值时，才能够将动量和能量的表达方式写成E=mc2和p=mv，因此这是一种规定的结果，而并不真正的表示惯性大小会随着运动速度的变化而发生改变。

在狭义的相对论理论中，如果粒子以光速恒定运动，它的静止质量则必须等等于零。此类粒子中包括了胶子和光子等，都被统称作光速粒子。此类粒子的相同特点为其m0=0，而v=c。但是根据实验所得到事实可以证明，光速粒子依然具有动量，因此光速粒子将无法适用牛顿力学的运动定律。这算是由于根据牛顿力学的相关定律，光速粒子具有动量，也就是说p=m0，且此时c不等于0，那么很明显与牛顿力学中的m0=0相互矛盾，因此按照牛顿力学的相关理论是无法对光速粒子这种固有质量为零的现象存在进行合理解释的，而运用狭义相对论对光速粒子存在的现实进行解释则没有理论和逻辑上的困难，这也在客观上说明了狭义相对论是对于牛顿力学的经典力学理论加以了发展，使物理学理论更加完善而科学。

在这里必须强调的是，即使惯性质量等于零，也并不是说没有惯性存在了，比如光速粒子，其惯性质量就为零，但是它们不仅依然有惯性，且仍遵守牛顿力学的第一运动定律，同时第一运动定律也适用于狭义相对论的理论范畴。而狭义相对论认为要确定惯性大小的主要根据是在四维速度中改变三维的空间速度的不同难易程度。也就是说如果当惯性质量的大小等于零时，则三维空间的速度改变将是无限大的。

四、结论

作为物理学的基本概念之一，在牛顿力学以及狭义相对论中都存在质量这一概念。但这两种不同力学中，对于质量概念的理解存在一些差异。如牛顿力学所指的质量是包含了惯性质量以及物质和引力质量等多种意义；但是狭义相对论中所指的质量通常就是指惯性质量，并不具备其他的意义。另外牛顿力学认为，物体的能量与动量表达式中都包含有惯性质量，并且一个物理的体系在一定的前提条件下，如果能量和动量都守恒，那么该体系内惯性质量也将守恒。在这一点上，狭义相对论对于惯性质量的认识与牛顿力学基本类似，二者的主要区别在于，牛顿力学的理论体系内包括了惯性质量的守恒定律，但是狭义相对论的相关理论构架中并没有惯性质量的守恒定律的存在，这一差异性是牛顿力学与狭义相对论在惯性质量的认识和理解上最为显著的差异。

（作者单位：河北省石家庄市第二中学）