物理学的进化：从早期概念到相对论、量子论最新章节_阿尔伯特·爱因斯坦著

还有一个线索

人们在刚开始研究力学时可能会觉得，在这个科学分支中，一切事物都是简单的、基本的且确定无疑不会再变的。此外，还存在着一个重要的线索，但它被人们忽视了300年，几乎没有人相信这样一个重要线索真实存在。人们所忽视的这个线索与一个力学基本概念息息相关，即质量。

我们再回过头来看一下小车行驶在一条绝对平滑的路上这个简单的理想化实验。假设小车最开始是静止不动的，然后对它施加一个推力，那么它之后就会以一个确定的速度匀速直线运动。只要我们愿意，可以无数次重复施加推力的动作，无论作用在小车上的力多大。无论我们重复多少遍这个实验，都会发现小车最终的速度总是一样的。但是如果改变一下这个实验——开始做实验时车上没有装任何东西，现在让它装上东西，结果会怎样呢？相比之下，装了东西的小车最终会比空车速度慢。我们可以由此得出结论：将同样的力作用于两个处于静止状态的质量不同的物体上，这两个物体最终的速度是不一样的。我们可以说，物体的运动速度与其质量相关，质量越大，速度越小。

这样一来，至少在理论上我们能知道如何确定物体的质量。更确切地说，我们知道如何确定一个物体的质量与另一个物体的质量之间的倍数关系。对同样处于静止状态的两个物体施加同样大小的力，如果发现第一个物体的运动速度是第二个物体运动速度的3倍，那我们就能断定第一个物体的质量是第二个物体质量的1/3。当然，这并不是判断两物体质量之间比例关系最实用的方式。不过，我们可以设想，通过惯性定律，我们可以按某种方式使用这种方法。

现实中我们是怎样确定物体质量的呢？当然不是采用上文所述的那种方法。每个人都知道应该怎么做，只要把需要测量的物体放到天平上称一下就可以了。

接下来让我们详细谈论一下上述两种确定物体质量的方式。

第一个实验跟重力，也就是地球的引力无关。小车在推力作用下，沿着一个绝对光滑的平面运动。重力使小车能够保持在平面上运动，它在运动过程中没有发生任何改变，所以在确定质量方面，重力起不到任何作用。而这与第二种方式——通过天平称重是完全不同的。如果地球不能吸引物体，也就是说如果地球上不存在重力的话，天平是绝对不可能起作用的。这两种确定质量的方式的不同之处在于：第一种方式与重力没有任何关系，第二种则依赖于重力的存在。

我们会问：如果我们分别采用上述两种方式去确定某两个物体质量的比例关系，那么我们能得到一样的答案吗？通过实验，我们可以得出非常清晰的答案，即结果是完全一样的！我们无法预知这个结论，因为它是通过实验得到的，而非我们思维的产物。我们可以稍微简化一下，把用第一种方式确定的质量叫作惯性质量，把用第二种方式确定的质量叫作引力质量。在我们的世界中它们碰巧相等，但是我们很容易想到，它们本不该相等。这让我们立刻想到另一个问题：惯性质量和引力质量的相等是纯粹偶然的，还是存在更深远的意义呢？经典物理学的观点认为：这两种质量的相等是偶然的，我们也不该认为这存在着什么更加深远的意义。现代物理学的观点却恰恰相反：这两种质量的相等是具有重要意义的，它形成了一个新的基本线索，该线索能把我们的理解推进到更加深入的地步。事实上，这也是引发所谓广义相对论的极为重要的一个线索。

如果一个侦探故事，把其中所有诡异的事件都解释为偶然事件，那它绝对不是什么上乘之作。若想让读者更满意，侦探故事必须要按合乎情理的方式发展。在理论层面也是如此。假设这两种理论都能够比较全面地观察到现实情况，如果其中一种理论能解释为什么引力质量和惯性质量是相等的，另一种理论却把它们的相等归结为偶然，那么前一种理论自然要比后一种好一些。

鉴于相同的惯性质量和引力质量对形成相对论至关重要，我们应在这里更加认真地谈论一下这两者之间的相等。有哪些实验可以证明两种质量是一样的，并能让人信服呢？事实上，从伽利略从塔上丢下不同质量的物体这个古老的实验中，我们就能找到答案。他发现不同质量物体的下落时间总是相同的，也就是说，下落物体的运动与质量无关。要把这个简单但十分重要的实验结果与两种质量的相等联系起来，我们还需要做一些更为复杂的推理。

一个处于静止状态的物体受外力作用后，就会以一定的速度开始运动。在外力作用下，其运动的难易程度和它的惯性质量息息相关。物体质量越大，就越不容易在受力的情况下运动起来。如果不是很严谨的话，我们可以说，物体在受到外力作用时，其产生运动的难易程度取决于自身的惯性质量。假设地球的引力可以作用于所有物体，并且引力相同，那么惯性质量大的物体，与其他物体相比，其下降速度会慢些。但是事实并非如此，所有物体的下降速度都是一样的。这表明地球对不同质量的物体产生的引力是不同的。地球通过重力吸引石子，但对石子的惯性质量一无所知。地球的“召唤”取决于引力质量，石子“回应”的运动则取决于惯性质量。因为“回应”的运动总是一样的，也就是说，从同样高度下落的所有物体情况都是相同的，由此我们可以推论：引力质量和惯性质量相等。

从物理学家的视角来看上面这个结论，其表述则更加专业：下落物体的加速度与其引力质量成正比，而与其惯性质量成反比。因为所有的下落物体都会不停加速，且加速度一样，所以这两种质量必定是相等的。

在这个伟大的侦探故事中，没有已经完全解决的问题，也没有一个确定无疑永远不变的问题。现在，我们再次回到最初的运动问题上，重新审视这个问题，寻求过去被忽视的线索，因此，对于我们身处的宇宙又产生了不同的认识。