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user: 7. 对若干基本概念的探讨 7.1. 光子质量 式(15)是一个光子能量的计算公式；事实上还有一个光子能量的计算公式，这就是爱因斯坦提出的光(量)子能量模型 E = h c λ = h v (37) 式中， h ( = 6.626 × 10 − 34 J ⋅ s ) 为普朗克常数， λ 为波长， v = c / λ 称为光子频率。 表面上看，式(37)中没有包含光子的质量，但是因为普朗克常数中有焦耳(J)，而焦耳(J)定义为 1   J = 1   kg ⋅ ( m / s ) 2 (38) 即焦耳(J)的定义中包括质量的量纲(千克，kg)，所以实际上式(37)隐含地与质量相关。于是联立(15)和(37)两式可以求出光子质量为 M = h λ c (39) 这里的逻辑关系是：因为普朗克常数包含能量(量纲)，能量(量纲)又包含质量(量纲)，因此反过来，可以用普朗克常数来表达质量。类似地，如果光速是常数，而光速中包含长度的量纲，那么就有可能用光速来表达长度。事实上，国际度量衡委员会(CIPM)已经用普朗克常数来定义“千克”，用光速来定义“米”，当然这样做的前提条件是认可普朗克常数和光速分别恒定不变。类似地，因为光速包括时间的量纲，若用光速来定义“秒”在道理上也是说得通的。 如果不看量纲只看数值大小，式(15)表明光子质量仅是光子能量的~1/c 2 。这一点不妨这样来理解，以单光子测量为例，假设测量每一种物理量需要一种探测器，那么测量光子质量所需要的光子质量探测器的灵敏度要比测量光子能量所需要的光子能量探测器的灵敏度高c 2 倍。这就给光子质量探测器的制造带来了巨大的挑战。因为探测器的制造是一个受限于技术能力的实际问题，技术能力并不是无限的。如果技术能力处于一个仅能造出单光子能量探测器的水平，那么肯定造不出单光子质量探测器。这一点在现实中的反映就是目前已经可以检测单光子的能量，而单光子的质量是不可测量的。由于不可测量或者测量不到，就给人一种光子质量为0或者光子没有质量的印象。但是，光子有没有质量与是否可以测量出光子的质量是两个不同的概念。从逻辑上说，人类目前感知不到光子质量并不意味着光子没有质量，也不能因为人类目前感知不到光子质量而推断过去的光子没有质量或者未来的光子没有质量。 7.2. 光子的波长和频率是没有物理意义的辅助变量 波长是与波相关联的一个概念。从历史过程来看，首先是麦克斯韦方程组可以推导出光速，其次是爱因斯坦提出光(量)子能量模型即式(37)，该式中的参数λ被称为光子波长一直延续至今。 本文前面已经指出，麦克斯韦方程组可以推导出光速并不意味着光就具有波动的性质。从逻辑上说，如果光不是波，光自然也就没有波长。下面再分析一下式(37)中参数λ量纲的由来。 式(37)是一个光子能量模型。由于不同的光子具有不同的能量，而h和c均为常数，所以首先必须引入一个变量才能表示不同光子的能量大小。其次分析一下该变量应该具有的量纲。hc乘积的量纲为 J ⋅ s × m ⋅ s − 1 = J ⋅ m ，所以引入的变量量纲必须为m；同时为了消去hc乘积中所包含的量纲m，引入的变量必须放在分母，这样构造出来的关系才具有能量的量纲J；假如hc的量纲不是J·m而是其他量纲的组合，那么引入的变量参数λ肯定将不再是长度的量纲，而是另外某种新量纲，这时是不是又认为光子具有这种新量纲所描述的性质呢？ 因为光子频率v = c/λ，如果光子波长是一个没有物理意义的辅助变量，那么相应的光子频率也是一个没有物理意义的辅助变量。 7.3. 质量的种类有且只有一个 质量是物质的基本属性。在国际单位制中，作为基本量纲的“质量”只有一个说法，质量就是质量，没有再做细分。此外，关于质量还有些其他观点，例如有种观点认为可以把质量分为引力质量和惯性质量，引力质量等于惯性质量。换言之，引力质量与惯性质量是等效的，这意味着有引力质量就有惯性质量，反之亦然。这种观点隐含地假设了引力质量和惯性质量同时存在。仔细推敲一下，可以提出这样的问题：如果没有引力，有没有引力质量？如果没有引力质量，惯性质量如何与引力质量等效？ 至少有两个质量体是牛顿万有引力定律的适用条件。当只有一个质量体时，不再满足万有引力定律的适用条件，此时没有引力。如果没有引力时还有引力质量，这在逻辑上说不过去。什么时候只有一个质量体？把整个宇宙中的所有质量体的质量加在一起，加到最后就只有一个质量体，事实上这是作者提出的压缩宇宙的思想实验 [ 8 ] ，由此衍生了光速原理。在质量相加过程中，加的是引力质量还是惯性质量？加到只有一个质量体的时候，引力已经不存在，此时该质量体的质量是引力质量还是惯性质量？如果认同没有引力就没有引力质量，那么在这一前提下引力质量与惯性质量等效的观点就是不自洽的；因为只有一个质量体时没有引力、因此也就没有引力质量；但是该质量体仍然(以光速)在做惯性运动，惯性质量依然存在；此时惯性质量如何与不存在的引力质量等效？ 常识是没有无源之水、无本之木。如果在根本或者源头上没有引力质量，那么引力质量概念就是有违逻辑或者常识的。引力质量和惯性质量的划分是多余的，引力质量不存在，惯性质量 = 质量。 此外还有所谓运动质量、静止质量等说法。从逻辑上说，如果认同质量体是运动的观点，那么就没有不运动的质量体，所有的质量体都是运动的，也就是没有静止的质量体，相应地也就没有静止质量。运动质量和静止质量的划分是多余的。惯性质量本身就是“动”的，惯性质量 = 运动质量 = 质量。 另外一个问题是：质量体的质量是否随着质量体运动速度的变化而变化，或者从数学上说，质量是不是速度的函数？这是二选一的问题。如果认同质量是速度的函数，那么将质量表达为速度函数的数学公式可能就具有物理意义，例如狭义相对论中的质量–速度关系式。但是无数的事实表明，质量不是速度的函数，例如在飞机起降这样一个典型的速度变化过程中，机上乘客的体重或者质量并没有任何变化，这已经是一个常识。如果认同这一常识，即选择质量不是速度的函数，那么在这一视角下，狭义相对论中的质量–速度关系式就是错误的。这里反映了一个深层次问题，即如何理解物理现象与数学模型之间的关系，是基于数学模型来设计或者描述物理机制、还是基于物理机制来寻找合适的数学模型，或者简单地说是数学决定物理还是物理决定数学。 质量种类有且只有一个，这是质量的唯一性，它是质量守恒的基础。是否认可质量守恒是理论物理中不同观点分歧的起始点。如果认可质量守恒，那么相应的逻辑推论必然指向质量的种类有且只有一个；反之如果不认可质量守恒，那么不仅可以导出这样那样的质量定义，还可以推演出种类众多的质量随其他物理参数变化的数学模型，或者说，不具有唯一性的质量定义或者关系式必然不满足质量守恒。还有一点，本文的分析表明，能量守恒要求质量守恒；如果一方面认可能量守恒，另一方面所采信的质量概念又不满足质量守恒，这在逻辑上是不自洽的。 7.4. 时间不会对过程产生作用 本文第6节提到任何过程都需要时间。人对过程的描述形成时间的概念，所以这一描述实际上引入了人的因素。质量体、过程和空间三位一体构成宇宙。没有人之前没有时间，没有人之后也没有时间，但是过程依然存在，换言之，任何过程都需要时间并不意味着时间可以反作用于过程。从本质上说，时间不是“物”，只有“物”及“物”产生的效果才可能对过程有作用。 时间不会对过程产生作用，这意味着时间不会对过程的长度产生影响。以植物种子的发芽过程为例，假设在正常生长条件下一颗植物种子完成发芽过程需要7天时间，这个“7天”只是人描述发芽过程给出的一个时间长度；如果生长条件保持不变，那么其发芽过程的长度在没有人之前、有人之后以及没有人之后均是不变的，既然与人都没有关系，那么与人定义的时间更加没有关系；反过来说，时间本身不会对种子发芽过程的长度产生影响；不仅如此，时间(不管是人的时间、昆虫的时间或者是植物自己的时间)的相对变化也不会对种子发芽过程的长度产生影响。与种子发芽相类似的一个问题是相对论中的所谓双生子佯谬。如果认同时间不会对过程产生作用的观点，那么双生子佯谬就是一个伪命题。