理论教育 量纲和单位确定原则:从时空学角度解析二者差异

量纲和单位确定原则:从时空学角度解析二者差异

时间:2023-11-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:国际计量大会将一个铂铱合金圆柱体定义为一千克,称作千克质量原器。根据库仑定律建立的电量标准是确定的、完备的。“引力荷”的量纲为米·千克,它的单位当然必须另外叫一个名称,例如“荷”。即上述确定大小的正方体金属的引力荷为1荷。这样确定的“引力荷”量纲、单位的原理和现行的引力质量、电量的原理完全一样,不会引起物理理论和实践的混乱,同样可行。

量纲和单位确定原则:从时空学角度解析二者差异

万有引力定律的表达式也是引力质量和引力常数G的定义式。式中,G和m1、m2都是未知量。如果m1=m2=m,这个定义式中仍有两个未知量G和m。从理论上讲,一个方程要求出两个未知量是不可能的,即我们不可能利用引力表达式同时求出引力常数G和引力质量m两个未知量。一般地讲,一个方程解两个未知数,可以根据问题的意思先假设一个未知数的值,然后再利用该方程求出另一个未知数。就像电量的定义式一样,先假设k=1,然后就可以确定q的量纲。这样电量就有了确定的内涵和概念,但是并不是所有单位制都可以这样处理。这样处理可能产生一种新的物理量,即产生新的物理单位,甚至产生新的单位制。确定引力质量和引力常数不能像前者假设k=1一样假设G=1。因为这样,从引力质量的定义式和电量的定义式可以得出m1m2=q1q2=fr2的结论,从而得出引力质量和电量的量纲完全相同的结论,甚至单位也可以设置为大小相同。同样,也不能假设G为其他无量纲的常数,如G=1/2或G=3等。因为这样引力质量和电量的量纲也完全相同,而其单位则成倍数关系。如果要假设G的值,必须将G设为有量纲的量。

还有一个解决办法可以确定引力常数G和引力质量mg,就是直接定义引力质量的量纲和单位,然后再确定G的值。事实上物理学正是这样解决的。

国际计量大会将一个铂铱合金圆柱体定义为一千克,称作千克质量原器。同时制作了四十个副件分送各国作为具体标准。1789年,卡文迪许用扭称测出了引力常数G的值,圆满解决了引力公式中mg和G的量纲和单位的确定问题。

这里将国际计量大会定义的铂铱合金圆柱体一千克理解为是引力质量mg,而非惯性质量mi的单位,根据逻辑,天平平衡是根据天平两边与地心的距离相等,所受引力也相等,两边物体的引力质量相等,因此天平确定的是引力质量;又因为天平平衡时没有加速度产生,因此不能认为天平确定的是惯性质量。在引力场中用天平测量引力质量是非常方便的,这点和惯性质量的性质相反。在引力场中测量惯性质量,即在确定力的作用下测量受作用物体的加速度很不方便,在没有引力的欧氏空间中测量惯性质量非常方便,我国女航天员王亚平在2013年太空授课时,让大家感受到了这一结论。与之对应,在太空中测量物体的引力质量却很不方便。这从另一个角度说明了引力质量和惯性质量的属性完全不同。

根据库仑定律建立的电量标准是确定的、完备的。与此相仿,根据牛顿第二定律和万有引力定律也可以建立起确定的、完备的惯性质量标准和引力质量标准。两者完全可以并行不悖。(www.daowen.com)

我们可以将目前的质量实体标准约定成惯性质量标准,即铂铱合金圆柱体的惯性质量是1“千克”。当然,“千克”的副件以及任何惯性质量都不能用天平确定,只能利用牛顿第二定律确定。

下面我们根据引力公式确定引力质量标准,以说明引力质量和惯性质量不同。我们可以任意用一个确定大小的正方体金属作为引力质量标准,然后确定其量纲。根据公式说明Gm1m2共同的量纲为千克·米3·秒-2。即无论怎样设置,只要我们将m1、m2设置为相同的,Gm1m2共同的量纲为千克·米3·秒-2也是可以的。例如,为了不产生引力质量和惯性质量相等的误解,我们可以将引力质量称作“引力荷”,符号用μ表示。这样万有引力公式就可以表示为式中的Q是引力常量,用Q表示说明它与G的量纲可以不同。现在我们确定引力常量Q的量纲。G的量纲是米3·千克-1·秒-2,我们就确定Q的量纲为米·千克-1·秒-2,比G的量纲中的长度少米2,它的数值和G相同。“引力荷”的量纲为米·千克,它的单位当然必须另外叫一个名称,例如“荷”。即上述确定大小的正方体金属的引力荷为1荷。当然,引力荷的副件以及任何引力荷的测量都必须用天平或万有引力定律确定。

这样确定的“引力荷”量纲、单位的原理和现行的引力质量、电量的原理完全一样,不会引起物理理论和实践的混乱,同样可行。在这种情况下,如果将引力公式表示为f=μH,其中难道还有人认为H是重力加速度,“引力荷”和惯性质量相等吗?

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