不相同的量纲不相等,因此有“≠”关系。例如
质量≠速度 (7)
假设定义一个新量纲Δ,同样有
Δ≠速度 (8)
将不等式(7)和不等式(8)两边相乘可得
质量×Δ≠(速度)×(速度) = (速度)^2 (9)
现在考虑这样一个问题:质量、新量纲Δ和速度三个物理量,与加减乘除等代数运算法则任意组合,能否“拼凑”出一个等式关系?具体地说,该等式以不等式(9)的构形为基础,左边由质量和Δ两项组合而成,右边仍然是(速度)^2。
下面分析这一问题。因为加法、减法不可以直接用于不同物理量的运算,所以“+”、“-”被排除;根据乘法交换律,两个量A和B之间乘法关系只有一种,即A×B=B×A;另外在不等式(9)中已经用了乘法,所以只剩下除法可供选用。A和B之间的除法关系有两种,可以是A/B,也可以是B/A;故基于除法组合的等式关系有
Δ/质量 ≡(速度)^2 (10)
或者
质量/ Δ≡(速度)^2 (11)
除此之外,再也没有其他可能的组合选项。式(10)和(11)构成了一个“二选一”问题。
式(10)两端乘以质量,可得
Δ≡质量×(速度)^2 (12)
从因果关系的角度来看式(12),就是Δ为结果,引起Δ变化的原因可以是速度、也可以是质量;从函数的角度来看,就是量纲Δ是质量和速度的函数。
类似地,式(11)两端乘以Δ,可得
质量≡Δ×(速度)^2 (13)
从因果关系的角度来看式(13),就是质量为结果,引起质量变化的原因可以是速度、也可以是Δ。从函数的角度来看,就是质量是量纲Δ和速度的函数。如果认同基本量纲彼此独立,则质量不是量纲Δ和速度的函数,故式(13)是错误的。式(12)和(13)是与式(10)和(11)等效的“二选一”问题。如果式(13)是错误的,则只有式(12)是正确的。
事实上,看一看国际单位制中能量量纲焦耳(J)的定义
1J=1kg·(m/s)^2 (14)
可以发现焦耳(J)的定义在量纲上与式(12)相同,即前面分析的新量纲Δ就是能量的量纲,将式(12)中的Δ换成“能量”,则有
能量≡质量×(速度)^2 (15)
关于质量与速度的关系,如果孤立地看式(15),该式并没有指明质量是不是速度的函数;但是联系起来看,式(15)实际上是在质量不是速度的函数的前提下得到的结果。因此如果一方面使用式(15)定义的能量,另一方面又认为质量是速度的函数,这在逻辑上是相互矛盾的。对于质量与速度之间关系的判断,反映了两种截然不同的物理观。
在式(15)两端除以速度,有
能量/速度≡质量×速度 (16)
能量与速度之比是动量的量纲,即有
动量≡质量×速度 (17)
在现有物理理论中,“质量×速度”不仅是动量量纲的定义,还被直接规定为动量数值的计算方法,也就是将式(17)中恒等号“≡”直接换成等号“=”。将动量记为p,于是有
动量≡质量×速度 --> 动量=质量×速度 --> p=mu (18)
将动量p对时间t做微分[5,6],根据式(18)可以写出
dp/dt=d(mu)/dt=m(du/dt)+ u(dm/dt) (19)
如果认同质量不是时间的函数,则质量对时间的导数dm/dt=0。另外引入加速度的定义式(6)有
dp/dt=d(mu)/dt=m(du/dt)+ u*0=ma --> F=ma (20)
这就是牛顿第二运动定律。