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2014-01-01質量是什麼？
529 期
Author 作者
曾耀寰／任職中研院天文所。
美國海軍在二次大戰期間，為了加速訓練農村子弟，成為專業的通訊兵，盡早上戰場，特別編寫了「有效」的電學教材，讓新兵能在最短的時間了解電學的基本原理。翻開教材的第一章標題為歐姆三定律，高中學過物理的同學應該會覺得納悶，學過克卜勒行星三定律、牛頓運動三定律、熱力學三定律，可就沒聽過歐姆三定律！簡單地說歐姆定律表示為V ＝ IR，它是將電壓V、電流I和電阻R串在一起的關係式。那麼新兵教材內提到歐姆另二條定律又是什麼？
教材裡寫的第二定律是I ＝ V / R，第三定律是R ＝ V / I。你一定會發牢騷，這哪能算歐姆三定律，這只不過玩玩數學遊戲，等號兩邊的物理量換來換去罷了！美國通訊兵學校是在搞KUSO嗎？從數學的觀點，這只不過是形式換來換去，但不同的形式可以有不同的解釋方式。曾有人問理論物理學家狄拉克（Paul Dirac）如何發現新的自然規律，他的回答是：玩玩方程式（狄拉克預測反物質的存在，以及發展量子力學的狄拉克方程式）。是的，同樣的方程式，不一樣的人會玩出不一樣的花樣。愛因斯坦也是方程式的一流玩家。
2005年是世界物理年，紀念愛因斯坦的奇蹟年，就在1905年的一年當中，愛因斯坦發表了五篇論文，分別是新的分子大小測定方法、布朗運動的解釋（原子分子的存在）、運動物體的電動力學（即狹義相對論）、質能互換（E ＝ mc2）和光電效應（光量子的存在），雖然狹義相對論的名聲很大，其他幾篇論文的重要性也不亞於狹義相對論。以質能互換的E ＝ mc2為例，這是二次大戰期間，美國人在曼哈頓計畫中製造原子彈所產生毀滅性能量的基本原理，在核分裂的過程中，少許質量的損失可以換取巨大的能量。看看方程式E ＝ mc2，c是光速，每秒30萬公里，是一個很大的數，例如1公克質量的損失可以產生的能量，相當於21千噸的TNT（或90兆焦耳）。但其實愛因斯坦當時的論文不是寫E ＝ mc2，而是m ＝ E / c2，論文題目是《物體的慣性是否取決於它所含的能量？》（Does the Inertia of a Body Depend Upon Its Energy Content?），也就是說愛因斯坦想要從能量的觀點出發來解釋質量的起源。
質量這個名詞並不那麼好解釋。學校的物理老師一定很清楚，速度可以描述物體移動的快慢，每單位時間移動多少距離，時間和距離是很容易解釋的物理量，雖然在狹義相對論當中，時間、距離還和所處的慣性座標有關，不過在日常生活中，還是比較容易說明。但質量卻是一個不容易具體解釋的物理量，高中課本解釋質量都是從物體運動開始入手。..........【更多內容請閱讀科學月刊第529期】