第一章　多變的物質(zhì)

生活中的質(zhì)量常識(shí)

說到質(zhì)量，就必須提到牛頓。沒錯(cuò)，就是根據(jù)蘋果豎直落地，進(jìn)而想到提出萬有引力的那個(gè)牛頓。最早，在牛頓研究出慣性和萬有引力之前，質(zhì)量就相當(dāng)于重量。但在牛頓力學(xué)的大廈建立之后，人們開始認(rèn)識(shí)到，質(zhì)量和重量不是一回事。質(zhì)量是與物體的慣性相關(guān)的，沒有質(zhì)量根本談不上慣性。質(zhì)量越大，慣性就越大。而重量與引力相關(guān)，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?yàn)榇筘涇囐|(zhì)量太大，導(dǎo)致了慣性大。所以大貨車在高速路上行駛時(shí)，一定要限速，否則會(huì)由于不容易停下來而發(fā)生事故。

后面，又有了引力的概念，人們發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量越大的物體，對(duì)其他物體產(chǎn)生的引力也越大。比如太陽(yáng)，質(zhì)量非常大，把這一圈的行星都吸引來圍著它轉(zhuǎn)；黑洞，質(zhì)量極其大，能把連光在內(nèi)的東西都給吸進(jìn)去。

愛因斯坦的研究，把引力看成空間的彎曲，也就是說，質(zhì)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(zhì)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(jié)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(yáng)轉(zhuǎn)，是因?yàn)樘?yáng)質(zhì)量大，所以，太陽(yáng)周圍的時(shí)空都是彎的。我們看起來好像在繞圈，其實(shí)，地球在彎曲的時(shí)空里走的是測(cè)地線。它沒有受到引力，畢竟，引力是質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空彎曲的宏觀表現(xiàn)，不是真實(shí)的力度。

從時(shí)空彎曲的維度來說，地球在四維時(shí)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(xué)，它的解釋和相對(duì)論又有些許不同，量子力學(xué)對(duì)質(zhì)量的解釋更為深入。它認(rèn)為質(zhì)量是一種能量，是非常微小的粒子之間的勢(shì)能，這個(gè)勢(shì)能最終表現(xiàn)出了質(zhì)量。它就是一種能量、一種勢(shì)能，通過一系列公式，證明質(zhì)量就是勢(shì)能。

聊完簡(jiǎn)單的質(zhì)量常識(shí)，為了幫助大家更好地理解這個(gè)概念，我為大家準(zhǔn)備了兩個(gè)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(gè)更重？

聽到這個(gè)問題，有很多小朋友會(huì)第一時(shí)間回答，當(dāng)然是鐵更重了，因?yàn)殍F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(huì)知道，如果都是一噸，應(yīng)該是一樣重的！

但是，如果我們學(xué)習(xí)了物理，知道了很多物質(zhì)知識(shí)，對(duì)這個(gè)問題就會(huì)又有不一樣的思考。為什么呢？

為了更好地論證這個(gè)問題，咱們極端一點(diǎn)去思考，一噸鐵和一噸空氣，哪個(gè)更重？

質(zhì)量相同的情況下，你的感受一定是鐵塊重，因?yàn)榭諝獾闹亓磕愀惺懿坏剑搽y以稱量出來——一個(gè)秤放在空氣中，上面壓了很多的空氣，但是這個(gè)秤是不會(huì)有任何反應(yīng)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(guān)聯(lián)上了。這種情況下，你肯定就知道了，是鐵塊更重，因?yàn)槊藁〞?huì)受浮力，會(huì)被空氣托著。

那肯定有人會(huì)好奇，是不是放到太空中，它們就一樣重了？真實(shí)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(dòng)它，使它加速。這時(shí)，它們體現(xiàn)的是慣性質(zhì)量。所以引申出了一個(gè)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(huì)更重，因?yàn)榻鹦堑目諝饷芏葮O大，棉花受到向上托舉的浮力會(huì)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?yàn)槊藁ㄊ艿搅烁蟮母×Γ瑸榱耸姑藁ê丸F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(zhì)量更大一些）。

這就會(huì)導(dǎo)致，你在秤上稱一噸棉花，而它的真實(shí)質(zhì)量大于你稱得的質(zhì)量。你稱得1噸，它的實(shí)際質(zhì)量也許是1.05噸。所以，如果你是一個(gè)農(nóng)戶，想要賣棉花的話，你一定要把棉花壓緊。因?yàn)閴壕o少吃虧，你測(cè)得的質(zhì)量，才更接近真實(shí)質(zhì)量。

說到這兒，我想到了一首打油詩(shī)：

10列火車，每列火車20節(jié)車廂，如果全部裝滿食鹽，夠全國(guó)人民吃多久？

這個(gè)問題讓我想到了劉慈欣在《超新星紀(jì)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(shè)中國(guó)的人口是14.4億，為方便計(jì)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(jié)車廂，總共是200節(jié)車廂。一般來說，一節(jié)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(jié)車廂，能拉16 000噸。

1噸等于1 000千克，也就是200節(jié)車廂一天能拉160億克。前面算過，全國(guó)人民一天要消耗144億克鹽，差不多就是夠全國(guó)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(jié)車廂的食鹽到底有多少。

假設(shè)，一般卡車是5噸的載重量，那么一節(jié)火車車廂的載重量就相當(dāng)于16輛卡車。那么，200節(jié)火車車廂相當(dāng)于3 000多輛卡車，也就是說，3 000輛卡車裝滿食鹽，才夠全國(guó)人民吃一天；而我們?nèi)粘ｉ_的小轎車，一般滿員可以拉5個(gè)人，一個(gè)人最多100千克，5個(gè)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(guó)人民吃一天。

這下我們知道了，一些運(yùn)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(jié)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(guó)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(zhì)量的常識(shí)，才可以幫助我們更好地認(rèn)識(shí)周圍的世界。雖然很多東西大家平時(shí)都能看到，但是這些常規(guī)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(huì)形成相應(yīng)的概念。有了這些概念，物和物就有了等量關(guān)系，至于怎么分配鹽、怎么計(jì)算數(shù)，孩子們也會(huì)有大概的了解。

大部分人，總是把質(zhì)量跟重量混為一談，一開始用重量來理解質(zhì)量，起步其實(shí)是對(duì)的，但要搞明白，它們是兩個(gè)概念。

質(zhì)量是物質(zhì)的絕對(duì)的量，它本身是一個(gè)抽象的東西。人們認(rèn)識(shí)事物的起點(diǎn)，就是從感官開始的。那質(zhì)量應(yīng)該怎么體驗(yàn)？肯定是稱出來的。你一稱，就對(duì)質(zhì)量有了大概的了解。但是用這種方式，很容易把質(zhì)量和重量搞混。

從普通人的視角轉(zhuǎn)到物理學(xué)，再到物理學(xué)研究，對(duì)于質(zhì)量的認(rèn)知，會(huì)從低維拔高到高維。從最初的，很多普通人覺得，質(zhì)量就是重量。再往深挖，質(zhì)量變成了物質(zhì)絕對(duì)的量……為什么很多學(xué)物理的人，力學(xué)總是入不了門？就是因?yàn)樗麄兝斫獾馁|(zhì)量，總是脫離不了重量。要知道，質(zhì)量是抽象概念，不等同于重量。