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重量、重力和质量

重量、重力和质量

作者: ianwest | 来源:发表于2014-03-14 01:29 被阅读0次

在日常语言中,重量是个很清晰的概念。

重量就是物体轻重的量度。

一袋大米有轻重,一只青铜鼎也有轻重,大米的轻重和鼎的轻重是可以比较的,它们是一类东西。

这是我们的身体告诉我们的。

当我们举起一袋大米,或一只鼎时,我们的肌肉都会有紧张酸疼的感觉,肌肉的紧张酸疼感告诉我们孰轻孰重,但这只大致成立,而且肌肉的紧张酸疼和身体的状况有关,当我们生病、身体虚弱的时候,我们会更吃力。

生活经验告诉我们:

举起一袋大米比举起一只斧头要吃力;而举起一只鼎比举起一袋大米更吃力。

那么我们说举起一只鼎要比举起一只斧头吃力。

举起一只鼎和一袋大米比举起一只鼎要吃力。

我们还说如果一个人一袋大米都举不起来的话,那他也举不起一只鼎。

……

这是定义重量概念的生活基础,我们断言:

日常生活中所有的有形物体都有重量,

或我们对所有这些日常生活中碰到的有形物体都可赋予一个数字去表征它的重量。

这里我们排除了两类物体,一个是无形的气体,比如空气,一个是远在天边的天体。

假设A是我们身边的某个有形物体,我们用M(A)表示A的重量,M(A)是个数字。

我们必须给出如何得到M(A)的操作,否则我们对重量的定义就是无用的。

那我们希望有什么用呢?

这就需要构造一个“游戏”,或给定一个人群生活的场景。

假设我们处在一个农业社会,并且自然条件是比较严苛的,我们需要把丰年的余粮征收、集中存起来,而到了灾年再发放下去。

这就需要有丈量土地的技术,和确定粮食多少的技术。

丈量土地的技术就是测地术——古希腊语中的Geometry——公理化、系统化的Geometry就是几何学。

确定粮食多少的技术则比较复杂,这和粮食的量有关。

如果粮食比较少,我们用容积来确定粮食的量,比如一碗米,或一斗米,这就是“度量衡”中的量。

但如果粮食比较多,再使用容积,哪怕是很大的斗都不方便。

此时用杆秤来称就比较方便。

杆秤是称重的工具,天平是特殊的杆秤,天平的两臂相等,只有当天平两边重量相等时,天平才平。

农业经济下,耕战最重要。

耕意味着粮食和战士,土地越广,余粮越多,可动用的战士也越多。战则意味着更多的土地、余粮和战士。

耕需要农具,战需要斧斤戈戟。

在古代青铜是制造农具和兵器的材料,同时它也是铸造货币的材料。

那我们如何确定青铜的多少呢?

青铜在常温下并不具有流动性,这意味着我们无法用容积来表示青铜的多少。

青铜主要是铸造兵器的,而兵器是用标准的范铸造出来的,我们可通过count青铜兵器的件数来表征青铜器的量。

“斤”是今天重量的主要单位,而斤的原始含义就是斧头。

标准的斧头“斤”,就好比是今天的砝码,我们用很多“斤”和杆秤(或天平)去称,比如一袋大米的重量。

在日常语言中我们不讲重力。

但我们讲力。

力是与重相抗衡的,力能扛鼎。

力与人相联系,是人自身所拥有的能力。

我施展这种能力,只要它足够大,我就能改变你,强迫你,使服从我的意愿。

比如:

一只铅球,力气大的人能把它飞速地扔出去,然后落在很远的地方。

又比如:

一列飞驰的火车,只要我的力足够大,我就能让它在十秒内停下来。

力与重相抗衡,重、力并置是相当古怪的。

重力来源于物理学,今天我们在日常语言中也偶尔会说重力,但这属于科学概念对日常语言的入侵。

在日常语言中,我们还是讲重量,或简单说重。

这里的核心还是多少,是量度。

但多少的标准可以很多,比如体积也可以是个说多少的标准。

但相同体积的青铜,和相同体积的水是不一样重的。

这个说多少的标准要和人举起或搬运的能力有关。

农业社会就是玩这样一种游戏,农夫们把余粮搬运到粮仓和战士们顶盔掼甲行军凭借的是相同的能力。

现在简述重力在物理学中的定义,首先重力是一种力。

那什么是力呢?

根据牛顿第二定律,

$F = ma$

外力$F$能改变物理系统的运动状态,物理系统运动状态的改变就是加速度$a$,加速度即速度在单位时间内的变化。

这里还有个$m$,我们称之为惯性质量。惯性质量是物体惯性的量度,或物体保持原运动状态程度的量度。质量越大,我们就越难改变物体的运动状态,或说我们就需要更大的力来改变物体的运动状态。

在地球表面,任何有形的物体,比如大铅球和小铅球,只要一撒手就会以相同的加速度落下,

这个加速度就是重力加速度$g$。

是什么使物体的运动状态改变呢?

牛顿认为任何两个物体之间都会存在引力,其大小为:

$F = \frac{G M m}{r^2}$

这里$M$和$m$是引力质量,即两物体间引力的大小正比于两物体引力质量的乘积,同时又和距离的平方成反比。

引力质量和惯性质量的定义是独立的,没有道理认为两者必须相等。但我们可以先假设这二者是相等的,如此我们可得到质量$m$物体在地球表面的重力加速度:

$g = \frac{G M }{R^2}$

这里$M$是地球的(引力)质量,$R$是地球的半径,物体质量$m$并不出现在等式中,这意味着不同质量的物体在地球表面都会以相同的加速度下落。

假如我们把两个不同质量的物体在相同的高度由静止释放,我们将可期待两物体是同时落地的。

这就是传说中伽利略在比萨斜塔上做的实验。

这里需要补充说明的是,假如我们真的在很高的斜塔上做上述落体实验,大铅球和小铅球将必然不同时落地,而且这个不同时是我们人可以分辨的。

这告诉我们物理学家真正关心的并非是真实的世界,他们首先关心的还是想象中的世界,一个“More real than real”的世界。

他们通过定义、公理、数学等构造一个理想的物理世界,这个物理世界足够简单优美,同时又富有解释力,只要稍加发展或复杂化就能定量地解释很多自然现象。

质量概念和重力类似,都来源于物理。质量在物理中的定义还颇为复杂,但这并不妨碍我们在日常语言中很自然地使用质量这个词。

在日常语言中重量和质量基本是等价的,它们的侧重都在“量”。(在物理学中重量被定义为重力的量度,这就显得离重力近了。)

比如:

在地球上我吃三两饭就饱了。

我们到月球上,假如那里也有食堂,我们应该跟师傅买多少饭呢?我们说买半两,因为这里是月球,所以我们就吃重量为半两的饭就够了。。。

假如以上场景真的发生,我们应该如何说呢?

是说买半两?还是继续说买三两呢?

在日常语言中我们说三两,强调的还是量,这个量的效果首先是要让我饱,其次因为交流的原因,我需要放到弹簧秤上称一下,否则不公平嘛。于是才有了作为重量意义下的三两。

即这里有两个标准。一个是私人的标准,饱还是饿。一个是公共的标准,需要有个操作或步骤,把三两饭的多少给划拨出来。

比如我们可以用天平,讲我们需要150克饭。但这个数字太别扭了,作为人我们还是讲“1,2,3,4,5”最有感觉,所以虽然有时候我们也会说买100克白糖,但在买饭的时候还是喜欢讲几两几两的。

“我们在地球上吃三两饭,到了月球上还是吃三两,将来空间站里有了食堂,我们还是买三两。”

这里的三两是作为量的多少来使用的,我认为除非我生病了,否则不论在哪里我都应该吃相同份量的饭。此时我并不在意在物理学中重量和质量的严格定义。

还可以举一个例子。假如到了月球上,

我们说:

“我在地球上用的是15kg的哑铃,那我在月球上就必须得用90kg的哑铃了。”

这个说法是符合日常语言习惯的,因为确实我要再多加很多片才能达到锻炼的效果。

在日常语言中我们讲重量,讲力,但不大讲重力。力、重力、质量,乃至重量在物理学中都有专门的定义。

我们发现日常语言中讲的重量其实最接近于质量,即以质量来定“量”是一种比以重力来定“量”更好、更可靠的标准。

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