在物理上,质量通常指物质以下的三个在实验上证明等价的属性之一:惯性质量,主动引力质量和被动引力质量.在日常生活中,质量常常被用来表示重量,但是在科学上,这两个词表示物质不同的属性.
一个物体的惯性质量决定了它受力时的加速度.根据牛顿运动第二定律,假设一个质量为m的物体受到了一个大小为F的力,那么它的加速度为F/m.
一个物体的质量也决定了它被重力场影响的程度.假设一个质量为m1的物体距离另一个质量为m2的物体的距离为r,第一个物体受到的引力可以通过牛顿公式计算其中.这个质量通常被称为引力质量(如果需要区别,则用M表示主动引力质量,m表示被动引力质量).从十七世纪以来不断有实验证明,惯性质量和引力质量是等价的,这条原理在广义相对论中被称为等效原理.
惯性质量衡量了当物体受力时,它对于改变其运动状态的抵抗程度.惯性质量可以通过给物体施加一个力,测量由此导致的加速度而测定.施以同样大小的力,惯性质量较小的物体会比惯性质量较大的物体获得更大的加速度.一个质量较大的物体,我们说它有较大的惯性.
主动引力质量是由一个物体的引力通量(引力通量等于引力场在一个封闭表面的面积分)来决定的.测量引力场,可以通过引入一个充分小的“测试物体”(这个物体应当足够小,不影响被测量物体的引力场),令其做自由落体运动,并测量其加速度.比如,一个在月球附近做自由落体运动的物体,与在地球表面相比,会感受到较小的引力场,因此加速度也较小.月球表面的引力场较弱是因为月球的主动引力质量较小.
被动引力质量通过测量一个物体与引力场的交互作用而测得.被动引力质量由物体在引力场中的重量除以它的加速度而得到.处于相同引力场中的两个物体,加速度是相同的,然而被动引力质量较小的物体比被动引力质量较大的物体受到的力更小(即它的重量较轻).
根据质能等价的原理,能量也有质量.这个等价关系被大量的物理过程所证实,包括正物质、反物质粒子对的产生,核聚变以及光的引力红移.在正物质、反物质粒子对的产生和核聚变中,能量和质量互相转换.在光的引力红移中,纯能量的光子表现出了具有被动引力质量的行为.
虽然惯性质量,被动引力质量和主动引力质量在概念上并不一样,然而没有任何实验明确地显示他们之间有任何的不同.在经典力学当中,牛顿第三定律意味着主动引力质量和被动引力质量必须总是相同(或至少成正比),但经典理论当中没有任何令人信服的原因表明引力质量必须与惯性质量相等.他们的相等仅仅是个经验性的事实.
阿尔伯特·爱因斯坦基于这样一个假设发展了他的广义相对论:惯性质量和(被动)引力质量之间的关系并非巧合,没有任何实验可以区分出这两者(弱等效原理).然而,在这样的理论当中,引力不再是一个力,因此也不遵守牛顿第三定律,所以“惯性质量和主动引力质量相等仍然是个谜”.