“相對論性質量”的理解初探

楊全成

在大學物理教學中，每每講到“狹義相對論”這一章，同學們普遍感覺不好理解。尤其對于動力學中“相對論性質量”，更是撲朔迷離。本文從另一角度對此概念進行解讀，以期使學生易于接受。

一、概念的由來

愛因斯坦狹義相對論認為：物體質量是隨物體運動速度的變化而變化的。相對論中“質量”的概念和牛頓力學當中的“質量”概念并不相同。這個由狹義相對論所提出的質量概念就是“相對論性質量”。其數學表達式為：m=γm0，式中m即是物體的相對論性質量，m0是其靜止質量，γ稱作洛倫茲因子，其值為γ=1/（1-v2/c2）-1/2。

二、難理解之處

相對論性質量這個概念在使用當中容易引起理解上的混亂，因為質量在傳統意義上的理解應該是物體含有物質的多少。按照愛因斯坦的理論，既然認為質量是隨著物體運動速度的增加而增加的，那就應理解成物體所含物質增多了。一旦該物體從高速運動狀態回歸到靜止狀態時，其質量應該大于發生運動之前的質量才對。而事實是，停止運動后，物體質量又回到了原先靜止狀態的值。這就隱約說明：在物體運動過程當中，改變的物理量不應是質量，而應是一個與物體運動相關的物理量。

三、另一種理解方式

“相對論性質量”所體現的本質，很類似于“慣性”這個物理量。傳統意義上，我們經常把“慣性”與“質量”這兩個概念等同起來，但這種觀念是不正確的。物體作低速運動時，慣性與質量固然可以采用同一個數值表示，但兩者卻有不同的物理意義。質量上面提到，指的就是物體中物質的含量，這是物體的基本屬性，物體在經歷高速運動前后，其所含物質多少，即“質量”，這個物理量是不會發生變化的。而慣性則不同，它反映的是一個現象，該現象來自于針對質量場和物體質心之間的不對稱性進行改變的難易程度。容易改變表明慣性小，反之慣性大。物體的運動就是在質量場與質心處于不對稱的狀態下出現的。運動速度越快，質量場與質心之間越不對稱，慣性就越大；當物體的運動速度減小時，質量場與質心之間的不對稱隨之減小，慣性也在減小。

經典力學中，談到物體運動一般都指的是低速運動，在數學計算上把慣性與質量用同一個數值進行計算，得出的結果并不錯。但由于二者畢竟不是同一個物理量，當物體的運動速度達到光速量級的時候，再用同一個數值去計算它們就會不正確了。發生這個錯誤的根源就是由于使用了數學的計算結果來解釋物理現象，并沒有從物理本質上進行解釋。

編輯 楊兆東