第一章　多變的物質

生活中的質量常識

說到質量，就必須提到牛頓。沒錯，就是根據蘋果豎直落地，進而想到提出萬有引力的那個牛頓。最早，在牛頓研究出慣性和萬有引力之前，質量就相當于重量。但在牛頓力學的大廈建立之后，人們開始認識到，質量和重量不是一回事。質量是與物體的慣性相關的，沒有質量根本談不上慣性。質量越大，慣性就越大。而重量與引力相關，沒有引力也談不上重量。

比如，大貨車在路上跑起來之后，不容易剎車，就是因為大貨車質量太大，導致了慣性大。所以大貨車在高速路上行駛時，一定要限速，否則會由于不容易停下來而發生事故。

后面，又有了引力的概念，人們發現，質量越大的物體，對其他物體產生的引力也越大。比如太陽，質量非常大，把這一圈的行星都吸引來圍著它轉；黑洞，質量極其大，能把連光在內的東西都給吸進去。

愛因斯坦的研究，把引力看成空間的彎曲，也就是說，質量越大，空間越彎曲、空間的擠壓程度越大。在他看來，那些有質量的東西，比如，天上的行星、恒星，都屬于空間的一部分，都是空間擠壓的結果，僅此而已，沒有其他東西了。

你可以想象一下，地球繞著太陽轉，是因為太陽質量大，所以，太陽周圍的時空都是彎的。我們看起來好像在繞圈，其實，地球在彎曲的時空里走的是測地線。它沒有受到引力，畢竟，引力是質量導致時空彎曲的宏觀表現，不是真實的力度。

從時空彎曲的維度來說，地球在四維時空里，走的是一條直線；在三維空間的投影，是一條曲線。

到了量子力學，它的解釋和相對論又有些許不同，量子力學對質量的解釋更為深入。它認為質量是一種能量，是非常微小的粒子之間的勢能，這個勢能最終表現出了質量。它就是一種能量、一種勢能，通過一系列公式，證明質量就是勢能。

聊完簡單的質量常識，為了幫助大家更好地理解這個概念，我為大家準備了兩個有意思的問題，咱們一起來看看吧。

一噸棉花和一噸鐵塊，哪個更重？

聽到這個問題，有很多小朋友會第一時間回答，當然是鐵更重了，因為鐵塊給人的感覺總是又硬又重的。等我們開始接觸了物理就會知道，如果都是一噸，應該是一樣重的！

但是，如果我們學習了物理，知道了很多物質知識，對這個問題就會又有不一樣的思考。為什么呢？

為了更好地論證這個問題，咱們極端一點去思考，一噸鐵和一噸空氣，哪個更重？

質量相同的情況下，你的感受一定是鐵塊重，因為空氣的重量你感受不到，也難以稱量出來——一個秤放在空氣中，上面壓了很多的空氣，但是這個秤是不會有任何反應的。如果你把空氣換成氫氣，氫氣不只不重，還往天上飛，這就和浮力關聯上了。這種情況下，你肯定就知道了，是鐵塊更重，因為棉花會受浮力，會被空氣托著。

那肯定有人會好奇，是不是放到太空中，它們就一樣重了？真實情況是，在太空中，你感受不到它們的重量。而且在太空中你很難推動它，使它加速。這時，它們體現的是慣性質量。所以引申出了一個問題，有引力才有重量，沒有引力就沒有重量。

另外，一噸鐵塊和一噸棉花，在地球上不一樣重，在月球上卻是一樣重的。換成在金星上，鐵塊也會更重，因為金星的空氣密度極大，棉花受到向上托舉的浮力會比鐵塊受到的浮力更大。

如果在地球上稱得一噸鐵塊和一噸棉花，因為棉花受到了更大的浮力，為了使棉花和鐵塊一樣重，就得多加一些棉花來壓秤，那么，最終肯定是棉花更多一些（質量更大一些）。

這就會導致，你在秤上稱一噸棉花，而它的真實質量大于你稱得的質量。你稱得1噸，它的實際質量也許是1.05噸。所以，如果你是一個農戶，想要賣棉花的話，你一定要把棉花壓緊。因為壓緊少吃虧，你測得的質量，才更接近真實質量。

說到這兒，我想到了一首打油詩：

10列火車，每列火車20節車廂，如果全部裝滿食鹽，夠全國人民吃多久？

這個問題讓我想到了劉慈欣在《超新星紀元》里面的一段描述：

聽到這兒，你是不是覺得很不可思議？那么咱們一起來估算一下。假設中國的人口是14.4億，為方便計算，每人每天差不多需要10克鹽。14.4億×10，一天要消耗144億克鹽。

10列火車上裝著鹽的話，每列車20節車廂，總共是200節車廂。一般來說，一節火車車廂，本身有20多噸的重量，就算25噸，刨去車重，最多能拉80噸貨。那就是80×200，200節車廂，能拉16 000噸。

1噸等于1 000千克，也就是200節車廂一天能拉160億克。前面算過，全國人民一天要消耗144億克鹽，差不多就是夠全國人民吃一天。

用火車車廂做類比，理解起來可能有些抽象。我們把車廂換成汽車，方便大家更直觀地感受200節車廂的食鹽到底有多少。

假設，一般卡車是5噸的載重量，那么一節火車車廂的載重量就相當于16輛卡車。那么，200節火車車廂相當于3 000多輛卡車，也就是說，3 000輛卡車裝滿食鹽，才夠全國人民吃一天；而我們日常開的小轎車，一般滿員可以拉5個人，一個人最多100千克，5個人就是500千克，也就是半噸的樣子，這樣算下來，30 000多輛小轎車裝滿食鹽，才夠全國人民吃一天。

這下我們知道了，一些運載工具的載重量。家庭用的小汽車是半噸、卡車是5噸、大汽車是10噸、一節火車車廂是80噸。至于媽媽做飯，一勺鹽有多少克、一頓飯要吃多少克鹽，中國老百姓一年消耗多少克鹽……這些問題，我們都有了直觀的感受。

有了這些質量的常識，才可以幫助我們更好地認識周圍的世界。雖然很多東西大家平時都能看到，但是這些常規的物品到底有多重，相信很多小朋友沒有切身感受，也就不會形成相應的概念。有了這些概念，物和物就有了等量關系，至于怎么分配鹽、怎么計算數，孩子們也會有大概的了解。

大部分人，總是把質量跟重量混為一談，一開始用重量來理解質量，起步其實是對的，但要搞明白，它們是兩個概念。

質量是物質的絕對的量，它本身是一個抽象的東西。人們認識事物的起點，就是從感官開始的。那質量應該怎么體驗？肯定是稱出來的。你一稱，就對質量有了大概的了解。但是用這種方式，很容易把質量和重量搞混。

從普通人的視角轉到物理學，再到物理學研究，對于質量的認知，會從低維拔高到高維。從最初的，很多普通人覺得，質量就是重量。再往深挖，質量變成了物質絕對的量……為什么很多學物理的人，力學總是入不了門？就是因為他們理解的質量，總是脫離不了重量。要知道，質量是抽象概念，不等同于重量。