第一章　多变的物质

生活中的质量常识

说到质量，就必须提到牛顿。没错，就是根据苹果竖直落地，进而想到提出万有引力的那个牛顿。最早，在牛顿研究出惯性和万有引力之前，质量就相当于重量。但在牛顿力学的大厦建立之后，人们开始认识到，质量和重量不是一回事。质量是与物体的惯性相关的，没有质量根本谈不上惯性。质量越大，惯性就越大。而重量与引力相关，没有引力也谈不上重量。

比如，大货车在路上跑起来之后，不容易刹车，就是因为大货车质量太大，导致了惯性大。所以大货车在高速路上行驶时，一定要限速，否则会由于不容易停下来而发生事故。

后面，又有了引力的概念，人们发现，质量越大的物体，对其他物体产生的引力也越大。比如太阳，质量非常大，把这一圈的行星都吸引来围着它转；黑洞，质量极其大，能把连光在内的东西都给吸进去。

爱因斯坦的研究，把引力看成空间的弯曲，也就是说，质量越大，空间越弯曲、空间的挤压程度越大。在他看来，那些有质量的东西，比如，天上的行星、恒星，都属于空间的一部分，都是空间挤压的结果，仅此而已，没有其他东西了。

你可以想象一下，地球绕着太阳转，是因为太阳质量大，所以，太阳周围的时空都是弯的。我们看起来好像在绕圈，其实，地球在弯曲的时空里走的是测地线。它没有受到引力，毕竟，引力是质量导致时空弯曲的宏观表现，不是真实的力度。

从时空弯曲的维度来说，地球在四维时空里，走的是一条直线；在三维空间的投影，是一条曲线。

到了量子力学，它的解释和相对论又有些许不同，量子力学对质量的解释更为深入。它认为质量是一种能量，是非常微小的粒子之间的势能，这个势能最终表现出了质量。它就是一种能量、一种势能，通过一系列公式，证明质量就是势能。

聊完简单的质量常识，为了帮助大家更好地理解这个概念，我为大家准备了两个有意思的问题，咱们一起来看看吧。

一吨棉花和一吨铁块，哪个更重？

听到这个问题，有很多小朋友会第一时间回答，当然是铁更重了，因为铁块给人的感觉总是又硬又重的。等我们开始接触了物理就会知道，如果都是一吨，应该是一样重的！

但是，如果我们学习了物理，知道了很多物质知识，对这个问题就会又有不一样的思考。为什么呢？

为了更好地论证这个问题，咱们极端一点去思考，一吨铁和一吨空气，哪个更重？

质量相同的情况下，你的感受一定是铁块重，因为空气的重量你感受不到，也难以称量出来——一个秤放在空气中，上面压了很多的空气，但是这个秤是不会有任何反应的。如果你把空气换成氢气，氢气不只不重，还往天上飞，这就和浮力关联上了。这种情况下，你肯定就知道了，是铁块更重，因为棉花会受浮力，会被空气托着。

那肯定有人会好奇，是不是放到太空中，它们就一样重了？真实情况是，在太空中，你感受不到它们的重量。而且在太空中你很难推动它，使它加速。这时，它们体现的是惯性质量。所以引申出了一个问题，有引力才有重量，没有引力就没有重量。

另外，一吨铁块和一吨棉花，在地球上不一样重，在月球上却是一样重的。换成在金星上，铁块也会更重，因为金星的空气密度极大，棉花受到向上托举的浮力会比铁块受到的浮力更大。

如果在地球上称得一吨铁块和一吨棉花，因为棉花受到了更大的浮力，为了使棉花和铁块一样重，就得多加一些棉花来压秤，那么，最终肯定是棉花更多一些（质量更大一些）。

这就会导致，你在秤上称一吨棉花，而它的真实质量大于你称得的质量。你称得1吨，它的实际质量也许是1.05吨。所以，如果你是一个农户，想要卖棉花的话，你一定要把棉花压紧。因为压紧少吃亏，你测得的质量，才更接近真实质量。

说到这儿，我想到了一首打油诗：

10列火车，每列火车20节车厢，如果全部装满食盐，够全国人民吃多久？

这个问题让我想到了刘慈欣在《超新星纪元》里面的一段描述：

听到这儿，你是不是觉得很不可思议？那么咱们一起来估算一下。假设中国的人口是14.4亿，为方便计算，每人每天差不多需要10克盐。14.4亿×10，一天要消耗144亿克盐。

10列火车上装着盐的话，每列车20节车厢，总共是200节车厢。一般来说，一节火车车厢，本身有20多吨的重量，就算25吨，刨去车重，最多能拉80吨货。那就是80×200，200节车厢，能拉16 000吨。

1吨等于1 000千克，也就是200节车厢一天能拉160亿克。前面算过，全国人民一天要消耗144亿克盐，差不多就是够全国人民吃一天。

用火车车厢做类比，理解起来可能有些抽象。我们把车厢换成汽车，方便大家更直观地感受200节车厢的食盐到底有多少。

假设，一般卡车是5吨的载重量，那么一节火车车厢的载重量就相当于16辆卡车。那么，200节火车车厢相当于3 000多辆卡车，也就是说，3 000辆卡车装满食盐，才够全国人民吃一天；而我们日常开的小轿车，一般满员可以拉5个人，一个人最多100千克，5个人就是500千克，也就是半吨的样子，这样算下来，30 000多辆小轿车装满食盐，才够全国人民吃一天。

这下我们知道了，一些运载工具的载重量。家庭用的小汽车是半吨、卡车是5吨、大汽车是10吨、一节火车车厢是80吨。至于妈妈做饭，一勺盐有多少克、一顿饭要吃多少克盐，中国老百姓一年消耗多少克盐……这些问题，我们都有了直观的感受。

有了这些质量的常识，才可以帮助我们更好地认识周围的世界。虽然很多东西大家平时都能看到，但是这些常规的物品到底有多重，相信很多小朋友没有切身感受，也就不会形成相应的概念。有了这些概念，物和物就有了等量关系，至于怎么分配盐、怎么计算数，孩子们也会有大概的了解。

大部分人，总是把质量跟重量混为一谈，一开始用重量来理解质量，起步其实是对的，但要搞明白，它们是两个概念。

质量是物质的绝对的量，它本身是一个抽象的东西。人们认识事物的起点，就是从感官开始的。那质量应该怎么体验？肯定是称出来的。你一称，就对质量有了大概的了解。但是用这种方式，很容易把质量和重量搞混。

从普通人的视角转到物理学，再到物理学研究，对于质量的认知，会从低维拔高到高维。从最初的，很多普通人觉得，质量就是重量。再往深挖，质量变成了物质绝对的量……为什么很多学物理的人，力学总是入不了门？就是因为他们理解的质量，总是脱离不了重量。要知道，质量是抽象概念，不等同于重量。