留下的一个线索

当第一次学习力学的时候，人们会有一种印象，似乎在科学的这个分支中的一切都如此简单、基本，而且全都得到了一劳永逸的解决。人们几乎不会怀疑，曾经有一个重要线索，它存在了300年还无人注意。这个被人漠视的线索与力学的基本概念之一相关，即 质量 的概念。

让我们再次讨论在绝对光滑的路面上运动的手推车这个简单的理想化实验。假设这辆手推车最初是静止的，然后被推了一下，于是它便以某种速度做匀速直线运动。假设我们可以任意多次地重复这个推动车子的实验，而且每次在它身上的推力都完全相同。无论我们多少次重复这个实验，手推车的最终速度都是一样的。但如果改变实验条件呢？如果过去车子是空的，而现在是满载的将会如何？与空车相比，满载的车子的最终速度将会慢一些。结论是：如果相同的力作用在两个同为静止的不同物体上，由此所得的速度将会不同。我们说，速度与物体的质量有关，质量较大的物体的速度较慢。

所以，至少在理论上，我们现在知道如何确定一个物体的质量，或者更准确地说，知道一个物体的质量是另一个物体的多少倍。我们用完全等同的力，可以作用在两个静止的质量体上。如果我们发现，第一个质量体的速度是第二个的3倍，我们就可以得出结论，第一个质量体的质量是第二个的1/3。当然，用这种方法确定两个质量体的质量比并不是很实用。尽管如此，我们还是可以随心所欲地在想象中用这种方法，或者用别的以应用惯性定律为基础的类似方法。

我们如何真正在实际工作中确定质量呢？当然不会用我们刚刚描述的方法。人人都知道正确的答案，我们在天平上称量物体的质量。

让我们更加详细地讨论确定质量的这两种不同方法。

第一个实验与地球的引力完全无关。手推车在推力作用后沿着绝对光滑的水平表面运动，引力只是让手推车留在平面上，它是不变的，因此在确定质量方面不起任何作用。用天平称量则完全不同。如果地球对物体没有吸引力，即引力不存在，那我们就永远无法使用天平。这两种确定质量的方法的差别就在于，第一种方法与引力无关，而第二种方法实质上是以引力的存在作为基础的。

我们的问题是：如果以上述两种方法确定两个质量之间的比率，我们是否会得到同样的结果？通过实验给出的答案非常清楚，结果是完全相同的。我们无法预测这个结论，它是以观察而不是以推理为基础的。为了简单起见，我们不妨称用第一种方法确定的质量为 惯性质量 ，称用第二种方法确定的质量为 引力质量 。它们在我们的世界中恰巧是相等的，但我们很容易就可以想象到，情况完全可以不必如此。另一个问题立刻就出现了：两种质量相等，这种现象完全出于巧合，还是说其中有更加深刻的意义？从经典物理学的观点出发，答案是：两种质量相等完全出于巧合，其中并不带有更加深刻的意义。而从现代物理学的观点出发，答案则完全相反：两种质量的相等具有本质上的含义，形成了走向更深刻理解的一个本质性的新线索。事实上，这是人称广义相对论的理论得以发展的最重要线索之一。

如果用巧合解释奇怪的事件，这样一个侦探故事似乎便落入了下乘。更让人满意的方式是，这个故事会按照理性的模式逐步展开。与此完全相同的是，如果两种理论都同样符合观察到的事实，而一种理论能够为引力质量和惯性质量的等同提供解释，第二种理论只能将之归结于巧合，则第一种理论当然优于第二种理论。

惯性质量与引力质量等同，这一点是建立相对论的基础，因此我们确实有必要在此多做一点探讨。什么实验可以令人信服地证明这两种质量完全等同？回答就在伽利略过去曾经做过的一个实验上。在这次实验中，他曾在一座塔的塔顶让质量不同的物体下落。他注意到，这些物体下落需要的时间总是一样的，也就是说，下落物体的运动与质量无关。这是一个简单但非常重要的实验结果，将它与两种质量等同相联系，需要相当复杂的推理过程。

当某个外力作用在某个静止物体上使其运动并获得一定的速度之前，这个静止物体便已经有所反应了。让静止物体改变状态的难易程度取决于它的惯性质量的大小，质量越大，对运动的反抗就越大。如果不要求严格表述，我们可以说，静止物体对于外力让它运动的召唤的回应是由它的惯性质量决定的。如果这一点是真实的，则地球将以同样的力吸引所有物体，而物体的惯性质量越大，则它的下落速度就越慢。但实际情况并非如此，所有物体都以同样的方式下落。这就意味着，对于质量不同的物体，地球的吸引力必定是不同的。这就是说，地球以引力吸引一块石头，但对它的惯性质量一无所知。地球的“召唤”力取决于引力质量，石头的“回应”运动取决于惯性质量。在从同样的高度下落时，一切物体都将有同样的方式，也就是说，它们的“回应”运动总是相同的，因此，我们必然会得出引力质量与惯性质量相等这样的一个结论。

喜欢舞文弄墨的物理学家会得到同样的结论：下落物体的加速度将随着引力质量的增大而成正比增大，同时，随着它的惯性质量的增大而成反比减小。但一切下落物体都有相同的恒定加速度，因此两种质量必然相等。

在我们伟大的侦探故事中，没有哪个问题得到了完全解决，从而能经历时间的考验而答案不变。历经300年的光阴，我们仍然必须回归最初的运动问题，修正调查的过程，找出人们一直忽略的线索，通过它来为我们周围的宇宙描绘不同的图像。 OfWYhijdkslS1ejdg6DR1c9wc3ErXLibZlhpOflUSeuFCgRS3uERqWvC7PBOplEp