质量 这一 いち 名 めい 词在狭 せま 义相对论中 ちゅう 通常 つうじょう 是 ぜ 指物 さしもの 质在静止 せいし 时所测量的 てき 质量(静 せい 质量)。这个意 い 义的质量与 あずか 牛 うし 顿力学 がく 的 てき 质量相 しょう 同 どう 。不 ふ 变质量 りょう 是 ぜ 静 せい 质量的 てき 另一名称 めいしょう ,但 ただし 它通常 つうじょう 是 ぜ 指 ゆび 由 よし 许多粒子 りゅうし 构成的 てき 系 けい 统。
相 あい 对论性 せい 质量 这一 いち 名 めい 词也被 ひ 使用 しよう ,而这是 ぜ 一个物体所具有的總能 のう 量 りょう 。物体 ぶったい 的 てき 相 しょう 对论性 せい 质量包括 ほうかつ 了 りょう 它所具有 ぐゆう 的 てき 动能,因 いん 此取决于观察者 しゃ 所 しょ 处于的 てき 参考 さんこう 系 けい 。
如果一个盒子装有许多粒子,它的重量 じゅうりょう 会 かい 随 ずい 着 ぎ 这些粒子 りゅうし 的 てき 速 そく 率 りつ 的 てき 增加 ぞうか 而增加 ぞうか 。盒子裡 うら 的 てき 任 にん 何 なん 能 のう 量 りょう 被 ひ 加入 かにゅう 盒子的 てき 质量中 ちゅう ,因 いん 此这个盒子 こ 的 てき 质量受到这些粒子 りゅうし 的 てき 相 しょう 对运动的影 かげ 响。然 しか 而,如果这整个盒子 こ 在 ざい 运动,那 な 么这盒子所 しょ 具有 ぐゆう 的 てき 动能是 ぜ 不 ふ 是 ぜ 应该包括 ほうかつ 在 ざい 物体 ぶったい 的 てき 质量当 とう 中 ちゅう 呢?不 ふ 变质量 りょう 不 ふ 包括 ほうかつ 盒子的 てき 动能,而相对论性 せい 质量则包括 ほうかつ 了 りょう 盒子的 てき 动能。
相 あい 对论性 せい 质量和 かず 静 しず 质量都 と 是 ぜ 物理 ぶつり 学 がく 中 ちゅう 的 てき 传统概念 がいねん ,但 ただし 相 あい 对论性 せい 质量只 ただ 是 ぜ 总共能 のう 量的 りょうてき 多 た 余 あまり 的 てき 名称 めいしょう 。一个系统只有在静止时其质量才有可能被测量,但 ただし 当 とう 物体 ぶったい 静止 せいし 时,物体 ぶったい 的 てき 相 しょう 对论性 せい 质量就是物体 ぶったい 的 てき 静 せい 质量。
物体 ぶったい 的 てき 不 ふ 变质量 りょう 是 ぜ 在 ざい 一个特定参考系中它所具有的总共能量,而在这个参考 さんこう 系 けい 中 ちゅう ,该物体 ぶったい 是 ぜ 静止 せいし 的 てき 。这也是 ぜ 不 ふ 变质量 りょう 也被称 しょう 作 さく 静 しずか 质量的 てき 缘故。这个特定 とくてい 的 てき 参考 さんこう 系 けい 也被称 しょう 作 さく 动量的 てき 質 しつ 心 しん 系 けい 。質 しつ 心 しん 系 けい 被 ひ 定 てい 义成系 けい 统的总动量 りょう 为零时所处于的 てき 参考 さんこう 系 けい 。对于一 いち 个合成 ごうせい 的 てき 物体 ぶったい (由 ゆかり 许多更 さら 小 しょう 的 てき 物体 ぶったい 组成,这些物体 ぶったい 可能 かのう 在 ざい 运动)和 わ 一组没有结合在一起的物体,只 ただ 要 よう 总共的 てき 动量是 ぜ 零 れい ,相 そう 对论性 せい 质量便 びん 与 あずか 不 ふ 变质量 りょう 相 しょう 同 どう 。
如果一个物体以光速运动,它在任 ざいにん 何 なん 参考 さんこう 系 けい 中 ちゅう 都 と 不 ふ 会 かい 静止 せいし 。当 とう 观察者 しゃ 朝 あさ 着 き 与 あずか 这个物体 ぶったい 运动的 てき 方向 ほうこう 加速 かそく ,该物体 ぶったい 所 しょ 具有 ぐゆう 的 てき 能 のう 量 りょう 会 かい 越来 ごえく 越 えつ 少 しょう 。因 よし 此,我 わが 们可以推测这个物体 ぶったい 的 てき 静 せい 质量是 ぜ 零 れい ,而这个物体 ぶったい 所 しょ 具有 ぐゆう 的 てき 质量仅是相 しょう 对论性 せい 质量,一个取决于观察者的质量。
相對 そうたい 論 ろん 性 せい 質量 しつりょう 的 てき 概念 がいねん
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早期 そうき 的 てき 发展:横 よこ 向 こう 与 あずか 纵向质量
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约瑟夫 おっと ·汤姆孙 在 ざい 1881年 ねん [ 1]
承 うけたまわ 认一个带电的物体比一个没有带电的物体更难加速。因 よし 此静电能量 りょう 表 ひょう 现成某 ぼう 种电磁质量 りょう ,增加 ぞうか 了 りょう 物体 ぶったい 的 てき 机 つくえ 械质量 りょう 。之 これ 后 きさき 威 い 廉 かど ·维恩 (1900)[ 2] 和 かず Max Abraham (1902)[ 3] 认为一个物体的总共质量与它的电磁质量相同。因 よし 为电磁质量 りょう 取 と 决于电磁能 のう 量 りょう ,维恩所 しょ 提出 ていしゅつ 的 てき 质能关系是 ぜ
m
=
(
4
/
3
)
E
/
c
2
{\displaystyle m=(4/3)E/c^{2}}
。
George Frederick Charles Searle 和 わ 汤姆孙也指出 さしで ,电磁质量随 ずい 着 ぎ 物体 ぶったい 的 てき 速度 そくど 而增加 ぞうか 。亨 とおる 德 とく 里 さと 克 かつ ·洛 らく 伦兹在 ざい 他 た 的 てき 洛 らく 伦兹以太理 り 论的框 かまち 架 か 中 ちゅう 承 うけたまわ 认这个说法 ほう 。他 た 将 しょう 质量定 りょうてい 义成所用 しょよう 力 りょく 与 あずか 加速度 かそくど 的 てき 比 ひ 值而不 ふ 是 ぜ 动量与 あずか 速度 そくど 的 てき 比 ひ 值,因 いん 此他必须区分 くぶん 横 よこ 向 こう 质量(
γ がんま
3
m
0
{\displaystyle \gamma ^{3}m_{0}}
)(当 とう 物体 ぶったい 运动的 てき 方向 ほうこう 与 あずか 加速度 かそくど 相 しょう 同 どう 或 ある 相反 あいはん )和 かず 纵向质量(
γ がんま
m
0
{\displaystyle \gamma m_{0}}
)(当 とう 物体 ぶったい 运动的 てき 方向 ほうこう 与 あずか 加速度 かそくど 垂直 すいちょく )。只 ただ 有 ゆう 当 とう 加速度 かそくど 与 あずか 物体 ぶったい 运动的 てき 方向 ほうこう 垂直 すいちょく 时,洛 らく 伦兹的 てき 质量才 ざい 会 かい 等 とう 于现在 ざい 被 ひ 称 しょう 作 さく 相 しょう 对论性 せい 质量的 てき 质量。(
γ がんま
=
1
/
1
−
v
2
/
c
2
{\displaystyle \gamma =1/{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}
是 ぜ 洛 らく 伦兹因子 いんし ,v是 ぜ 物体 ぶったい 与 あずか 以太的 てき 相 しょう 对速度 そくど ,c是 ぜ 光速 こうそく )。因 よし 此,根 ね 据 すえ 这一理论没有物体可以到达光速,因 いん 为物体 ぶったい 的 てき 质量将 はた 趋于无限大 だい 。[ 4] [ 5]
而对于一个具有非零静质量的粒子在x方向 ほうこう 运动时所受到的 てき 作用 さよう 力 りょく 和 わ 加速度 かそくど 的 てき 准 じゅん 确表达是:
f
x
=
γ がんま
3
m
0
a
x
,
{\displaystyle f_{x}=\gamma ^{3}m_{0}a_{x},\,}
f
y
=
γ がんま
m
0
a
y
,
{\displaystyle f_{y}=\gamma m_{0}a_{y},\,}
f
z
=
γ がんま
m
0
a
z
.
{\displaystyle f_{z}=\gamma m_{0}a_{z}.\,}
爱因斯坦 在 ざい 他 た 1905年 ねん 的 てき 论文中 ちゅう 计算了 りょう 横 よこ 向 こう 质量和 わ 纵向质量。[ 6] [ 7] 然 しか 而,在 ざい 他 た 第 だい 一 いち 篇 へん 关于
E
=
m
c
2
{\displaystyle E=mc^{2}}
的 てき 论文中 ちゅう (1905),m所 しょ 代表 だいひょう 的 てき 是 ぜ 现在认为的 てき 静 せい 质量。[ 8] 一些人后来声称他不喜欢相对论性质量的想法。[ 9]
在 ざい 狭 せま 义相对论中 ちゅう ,就像洛 らく 伦兹以太理 り 论,一个静质量非零的物体无法以光速运动。当 とう 物体 ぶったい 趋近于光速 そく 时,它的能 のう 量 りょう 和 わ 动量将 はた 无限制 せい 的 てき 增加 ぞうか 。
横 よこ 向 こう 质量和 わ 纵向质量被 ひ 相 あい 对论性 せい 质量的 てき 概念 がいねん 取 と 代 だい 。Richard C. Tolman 在 ざい 1912年 ねん 表示 ひょうじ m0 (1 - v2 /c2 )-1/2 最 さい 适合用 よう 来 らい 表示 ひょうじ 运动物体 ぶったい 的 てき 质量。[ 10]
在 ざい 1934年 ねん ,Tolman也定义相对论性 せい 质量为:[ 11]
m
=
E
c
2
{\displaystyle m={\frac {E}{c^{2}}}\!}
这一定义对于所有粒子都适用,包括 ほうかつ 以光速 そく 运动的 てき 粒子 りゅうし 。
对于以低于光速 そく 运动的 てき 粒子 りゅうし ,即 そく 具有 ぐゆう 非 ひ 零 れい 的 てき 静 せい 质量的 てき 粒子 りゅうし ,这方程式 ほうていしき 变成
m
=
γ がんま
m
0
{\displaystyle m=\gamma m_{0}\!}
当 とう 相 あい 对速度 そくど 为零时,
γ がんま
{\displaystyle \gamma }
将 しょう 等 とう 于1。当 とう 相 あい 对速度 そくど 趋近光速 こうそく 时,
γ がんま
{\displaystyle \gamma }
将 はた 趋近无限大 だい 。
在 ざい 动量的 てき 方程式 ほうていしき 中 ちゅう
p
=
m
v
{\displaystyle p=mv}
m所 しょ 代表 だいひょう 的 てき 质量是 ぜ 相 しょう 对论性 せい 质量
牛 うし 顿第二 に 定律 ていりつ 以
f
=
d
(
m
v
)
d
t
,
{\displaystyle \mathbf {f} ={\frac {d(m\mathbf {v} )}{dt}},\!}
的 てき 形式 けいしき 表 ひょう 达仍然 しか 正 せい 确。但 ただし
d
m
d
t
{\displaystyle {\frac {dm}{dt}}}
并不是 ぜ 零 れい ,因 いん 为相对论性 せい 质量是 ぜ 速 そく 率 りつ 的 てき 函数 かんすう ,因 いん 此牛顿第二 に 定律 ていりつ 不能 ふのう 以
f
=
m
a
{\displaystyle f=ma}
来 らい 表示 ひょうじ 。
一 いち 个系统的静 せい 质量并不等 とう 于组成 なり 这一系统的所有物体的静质量的和,除 じょ 非 ひ 在 ざい 这一系 けい 统中的 てき 所有 しょゆう 物体 ぶったい 在 ざい 質 しつ 心 しん 系 けい 是 ぜ 静止 せいし 的 てき 而不具有 ぐゆう 其它形式 けいしき 的 てき 能 のう 量 りょう (如场能 のう )。一个系统所具有的静质量等于它在質心系所具有的能量(包括 ほうかつ 场能)。
所以 ゆえん 许多系 けい 统的总质量 りょう 小 しょう 于其中 ちゅう 每 まい 个物体 ぶったい 质量的 てき 和 わ ,如1个氢原子 げんし 的 てき 静止 せいし 质量小 しょう 于1电子质量+1质子质量(由 ゆかり 于电场能为负)。
相對 そうたい 論 ろん 能 のう 量 りょう -動 どう 量 りょう 方程式 ほうていしき
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上述 じょうじゅつ E 和 わ p 的 てき 相對 そうたい 論 ろん 表示 ひょうじ 式 しき 可 か 以轉寫 てんしゃ 成 なり 基礎 きそ 的 てき 「相對 そうたい 論 ろん 能 のう 量 りょう -動 どう 量 りょう 方程式 ほうていしき 」:
E
2
−
(
p
c
)
2
=
(
m
0
c
2
)
2
{\displaystyle E^{2}-(pc)^{2}=(m_{0}c^{2})^{2}\,\!}
注意 ちゅうい 到 いた 此方 こちら 程 ほど 式 しき 裡 うら 的 てき
m
0
{\displaystyle m_{0}}
表示 ひょうじ 静 せい 质量。這條方程式 ほうていしき 對 たい 無 む (靜 せい )質量 しつりょう 的 てき 光子 こうし 而言也適用 てきよう :
E
2
−
(
p
c
)
2
=
0
{\displaystyle E^{2}-(pc)^{2}=0\,\!}
E
2
=
(
p
c
)
2
{\displaystyle E^{2}=(pc)^{2}\,\!}
E
=
p
c
{\displaystyle E=pc\,\!}
p
=
E
/
c
{\displaystyle p=E/c\,\!}
因 いん 此一顆光子的動量是其能量的函數,而非与 あずか 其速度 そくど 成 なり 正 せい 比 ひ ,真 ま 空中 くうちゅう 的 てき 光速 こうそく 是 ぜ 常数 じょうすう 。
考慮 こうりょ 一 いち 個 こ 靜止 せいし 的 てき 物體 ぶったい ,上面 うわつら 第 だい 一條方程式中的動量p 為 ため 零 れい ,我 わが 們得到 いた :
E
2
=
(
m
0
c
2
)
2
{\displaystyle E^{2}=(m_{0}c^{2})^{2}\,\!}
可 か 以簡化 か 為 ため
E
=
m
0
c
2
{\displaystyle E=m_{0}c^{2}\,\!}
顯示 けんじ 出 で 這項知名 ちめい 的 てき 關係 かんけい 式 しき 僅在物體 ぶったい 靜止 せいし 時 じ 適用 てきよう ,並 なみ 給 きゅう 出 で 「靜止 せいし 能 のう 量 りょう 」的 てき 觀念 かんねん 。如果物體 ぶったい 在 ざい 運動 うんどう ,我 わが 們得到 いた :
E
2
=
(
m
0
c
2
)
2
+
(
p
c
)
2
{\displaystyle E^{2}=(m_{0}c^{2})^{2}+(pc)^{2}\,\!}
從 したがえ 這裡,我 わが 們可以看到 いた 物體 ぶったい 總 そう 能 のう E 和 かず 它的靜 せい 能 のう 量 りょう 以及動 どう 量 りょう 相 しょう 依 よ ;一旦動量隨速度v增加 ぞうか 而增加 ぞうか ,總 そう 能 のう 量 りょう 也會發生 はっせい 一 いち 樣 よう 的 てき 事 こと 。
這裡的 てき E 實際 じっさい 上等 じょうとう 同 どう 於前面 めん 段落 だんらく 中 ちゅう 的 てき 相對 そうたい 論 ろん 性能 せいのう 量 りょう 方程式 ほうていしき ,而那條 じょう 能 のう 量 りょう 方程式 ほうていしき 和 わ 相對 そうたい 論 ろん 性 せい 質量 しつりょう 方程式 ほうていしき 只 ただ 差 さ 了 りょう 一 いち 個 こ 因子 いんし c 2 。因 よし 此「相對 そうたい 論 ろん 性 せい 質量 しつりょう 本質 ほんしつ 上等 じょうとう 於總能 のう 量 りょう 」—,但 ただし 是 ぜ 量 りょう 值與單位 たんい 有 ゆう 些差別 さべつ 。
當 とう 採用 さいよう c = 1的 てき 單位 たんい (稱 しょう 作 さく 自然 しぜん 單位 たんい 系統 けいとう )時 じ ,能 のう 量 りょう -動 どう 量 りょう 方程式 ほうていしき 即 そく 簡化為 ため :
E
2
−
p
2
=
m
0
2
,
{\displaystyle E^{2}-p^{2}=m_{0}^{2}\,,\!}
一旦 いったん
v
=
0
{\displaystyle v=0}
,其簡化 か 到 いた
E
2
=
m
0
2
{\displaystyle E^{2}=m_{0}^{2}}
,或 ある
E
=
m
0
{\displaystyle E=m_{0}}
。
狭 せま 义相对论中 ちゅう 的 てき 质量守恒 もりつね 定律 ていりつ
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能 のう 量 りょう 是 ぜ 可 か 加 か 的 てき 守恒 もりつね 的 てき 量 りょう ,但 ただし 静 せい 质量不 ふ 是 ぜ 。这意味 いみ 着 ぎ 当 とう 我 わが 们可以确认一系统是封闭的,该系统的静 せい 质量和 わ 动量才 ざい 会 かい 守恒 もりつね 。相 あい 对论性 せい 质量本 ほん 质上就是能 のう 量 りょう ,因 いん 此能量 りょう 守恒 もりつね 定律 ていりつ 就是相 しょう 对论性 せい 质量守恒 もりつね 定律 ていりつ 。
一个光子本身没有静质量。一个具有静质量的粒子可以衰变成光子,然 しか 而这个由光子 こうし 组成的 てき 系 けい 统却具有 ぐゆう 静 せい 质量,因 いん 此一个系统的静质量并不等于组成它的粒子的静质量的和。无论在 ざい 衰 おとろえ 变前后 きさき ,这个封 ふう 闭的系 けい 统的静 せい 质量都 と 是 ぜ 守恒 もりつね 的 てき 。
一个系统如果保持相同的静质量,它必须是封 ふう 闭的,以致没 ぼつ 有能 ゆうのう 量 りょう (可能 かのう 是 ぜ 热或辐射)可 か 以逃离该系 けい 统。外力 がいりょく 可 か 以改变该系 けい 统的动量和 わ 能 のう 量 りょう ,但 ただし 该系统的动量和 わ 能 のう 量的 りょうてき 改 あらため 变可以维持 じ 静 せい 质量不 ふ 变。当 とう 某 ぼう 些反应将组成该系统的某 ぼう 些粒子 りゅうし 的 てき 静 せい 质量转换成光 なるみつ 能 のう 或 ある 热能,只 ただ 要 よう 这些光 こう 能 のう 或 ある 热能无法从该系 けい 统逃离,该系统的静 せい 质量便 びん 不 ふ 会 かい 改 あらため 变。只 ただ 有 ゆう 在 ざい 这些能 のう 量 りょう 被 ひ 释放到 いた 该系统周围的环境,该系统才会 かい 失 しつ 去 さ 静 しずか 质量。
根 ね 据 すえ 列 れつ 夫 おっと ·奥 おく 昆 こん 的 てき 说法,[ 12] 爱因斯坦 本人 ほんにん 一 いち 直 じき 用 よう m来 らい 表示 ひょうじ 不 ふ 变质量 りょう ,而不用 よう m来 らい 表示 ひょうじ 其它任 にん 何 なん 质量。奥 おく 昆 こん 和 かず 他 た 的 てき 跟随者 しゃ 拒 こばめ 绝相对论性 せい 质量的 てき 概念 がいねん 。Arnold B. Arons否定 ひてい 教 きょう 导相对论性 せい 质量的 てき 概念 がいねん :[ 13]
多 た 年来 ねんらい 人 じん 们传统上通 どおり 过相对论性 せい 质量的 てき 推导来 らい 进入动力学 がく 的 てき 讨论。质量与 あずか 速度 そくど 的 てき 关系可能 かのう 在 ざい 主流 しゅりゅう 课本中 ちゅう 仍有提 ひさげ 及。然 しか 而,最近 さいきん ,越来 ごえく 越 えつ 多 た 人 じん 承 うけたまわ 认相对论性 せい 质量是 ぜ 一个麻烦和令人生疑的概念。[看 み ,例 れい 如, Okun (1989) (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 ).]合理 ごうり 和 わ 严格途 と 径 みち 至 いたり 相 しょう 对论动力学 がく 是 ぜ 直接 ちょくせつ 发展可 か 以保证在所有 しょゆう 参考 さんこう 系 けい 中 ちゅう 动量守恒 もりつね 的 てき 动量:
p
=
m
0
v
1
−
v
2
c
2
{\displaystyle p={m_{0}v \over {\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\!}
而不是 ぜ 通 どおり 过相对论性 せい 质量。
另一方面 ほうめん ,T. R. Sandin 写 うつし 道 どう :[ 14]
相 あい 对论性 せい 质量的 てき 概念 がいねん 为对狭 せま 义相对论初 はつ 学者 がくしゃ 的 てき 教 きょう 导带来 らい 了 りょう 一致 いっち 性 せい 和 わ 简单。例 れい 如,
E
=
m
c
2
{\displaystyle E=mc^{2}}
优美地表 ちひょう 达了简化了 りょう 的 てき 能 のう 量 りょう 与 あずか 质量的 てき 等 とう 同 どう 。那 な 些声称 たたえ 不 ふ 使用 しよう 相 しょう 对论性 せい 质量的 てき 人 じん 其实也使用 しよう 了 りょう 相 しょう 对论性 せい 质量,即 そく 使 つかい 不 ふ 是 ぜ 以相对论性 せい 质量的 てき 名字 みょうじ ,当 とう 他 た 们在考 こう 虑一个由许多粒子组成的系统的时候。相 あい 对论性 せい 质量并不取 と 决于作用 さよう 力 りょく 和 わ 速度 そくど 之 の 间的角度 かくど ,这意味 いみ 着 ぎ 它脱离牛顿第二 に 定律 ていりつ 不正 ふせい 确的使用 しよう 。
必须注意 ちゅうい 的 てき 是 ぜ 质量和 わ 速度 そくど 的 てき 关系例 れい 如
m
=
m
0
1
−
v
2
c
2
{\displaystyle m={m_{0} \over {\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\!}
蕴含着 ぎ 该速度 そくど 是 ぜ 相 しょう 对于一个参考系测量的。
^ 约瑟夫 おっと ·汤姆孙, 关于带电物体 ぶったい 的 てき 运动造成 ぞうせい 的 てき 效果 こうか (On the Effects produced by the Motion of Electrified Bodies), Phil. Mag., 1881, 11 : 229
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