5.還有一條線索

我們最初研究力學(xué)時(shí)會(huì)有一種印象，認(rèn)為在這門科學(xué)分支中，一切都是簡(jiǎn)單、基本和一成不變的。但我們很難想到，一條重要的線索近三百年來(lái)未曾有人注意過(guò)。這條被忽視的線索與力學(xué)的一個(gè)基本概念有關(guān)，那就是質(zhì)量。

讓我們回到那個(gè)簡(jiǎn)單的理想實(shí)驗(yàn)，即小車在絕對(duì)光滑的路上運(yùn)動(dòng)。小車起初靜止，然后推它一下，它將以一定的速度勻速運(yùn)動(dòng)。假定力的作用可以隨意重復(fù)，推的機(jī)制每次都以同樣的方式起作用，并且給同一輛車施加同樣的力，那么無(wú)論把這個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)多少次，小車最后的速度總是一樣的。但如果把實(shí)驗(yàn)變一下，車上原先是空的，現(xiàn)在給它裝上東西，結(jié)果會(huì)怎樣呢？裝上東西的車的末速度會(huì)比空車小些。結(jié)論是：如果同樣的力作用于原本靜止的兩個(gè)不同物體，所產(chǎn)生的速度將會(huì)不同。因此我們說(shuō)，速度與物體的質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量越大，速度越小。

因此，我們至少在理論上知道如何測(cè)定物體的質(zhì)量，或者更確切地說(shuō)，知道如何測(cè)定一個(gè)質(zhì)量比另一個(gè)質(zhì)量大多少倍。我們把同樣的力作用于兩個(gè)靜止的質(zhì)量，若發(fā)現(xiàn)第一個(gè)質(zhì)量的速度比第二個(gè)質(zhì)量的速度大3倍，我們就可以斷言，第一個(gè)質(zhì)量比第二個(gè)質(zhì)量小3倍。當(dāng)然，對(duì)于測(cè)定兩個(gè)質(zhì)量之比來(lái)說(shuō)，這種方法并不很實(shí)用。不過(guò)，以慣性定律的運(yùn)用為基礎(chǔ)，我們完全可以設(shè)想已經(jīng)以諸如此類的方法做到了這一點(diǎn)。

我們實(shí)際上是如何測(cè)定質(zhì)量的呢？當(dāng)然，不是以剛才描述的那種方法。人人都知道正確的答案，我們把物體放在天平上稱一下就測(cè)定出了它的質(zhì)量。

讓我們更仔細(xì)地討論一下測(cè)定質(zhì)量的這兩種方法。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)與重力即地球引力毫無(wú)關(guān)系。被推之后，小車沿著絕對(duì)光滑的水平面運(yùn)動(dòng)。使小車停留在平面上的重力并不改變，對(duì)于測(cè)定質(zhì)量完全不起作用。而稱量則完全不同。如果地球不吸引物體，或者說(shuō)如果不存在重力，那么永遠(yuǎn)也無(wú)法使用天平。測(cè)定質(zhì)量的這兩種方法的差異在于：第一種方法與重力毫無(wú)關(guān)系，第二種則本質(zhì)上依賴于重力的存在。

我們問(wèn)：如果用上述兩種方法來(lái)測(cè)定兩個(gè)質(zhì)量之比，我們會(huì)得到同一結(jié)果嗎？實(shí)驗(yàn)給出的回答很清楚：結(jié)果是一樣的。我們不可能預(yù)先知道這個(gè)結(jié)論，因?yàn)樗⒎腔诶硇裕腔谟^察。為了簡(jiǎn)潔，我們把用第一種方法測(cè)出的質(zhì)量稱為“慣性質(zhì)量”，而把用第二種方法測(cè)出的質(zhì)量稱為“引力質(zhì)量”。在我們的世界中，它們碰巧相等，但我們完全可以設(shè)想它們并不相等。這樣就立即產(chǎn)生了另一個(gè)問(wèn)題：這兩種質(zhì)量的相等是純屬偶然呢，還是有更深的意義？從經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，回答是：這兩種質(zhì)量的相等是偶然的，再無(wú)更深的意義可以賦予它。現(xiàn)代物理學(xué)的回答卻恰恰相反：這兩種質(zhì)量的相等具有根本性的意義，它是一個(gè)新的至關(guān)重要的線索，引導(dǎo)我們走向更深刻的理解。事實(shí)上，它是發(fā)展出所謂廣義相對(duì)論的最重要的線索之一。

如果一個(gè)偵探故事把奇特的事件解釋成偶然的，那它似乎就不是一個(gè)好故事。讓故事遵循理性模式，肯定會(huì)更讓人滿意。同樣，只要能與觀察到的事實(shí)相一致，那么能對(duì)引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量的相等作出解釋的理論要比把這種相等解釋成偶然的理論更好。

既然慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的這種相等對(duì)于相對(duì)論的提出具有根本意義，這里我們就應(yīng)對(duì)它作出更為細(xì)致的考察。何種實(shí)驗(yàn)令人信服地證明了這兩種質(zhì)量是相等的？答案其實(shí)已經(jīng)存在于伽利略從塔上丟下不同質(zhì)量的物體那個(gè)古老實(shí)驗(yàn)里了。他發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量的物體下落時(shí)間總是相同的，落體的運(yùn)動(dòng)與質(zhì)量無(wú)關(guān)。要把這個(gè)簡(jiǎn)單但又極為重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與這兩種質(zhì)量的相等聯(lián)系起來(lái)，還需要相當(dāng)復(fù)雜的推理。

一個(gè)靜止的物體在外力的作用下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并獲得一定的速度。它就范的難易程度依賴于它的慣性質(zhì)量。質(zhì)量越大，對(duì)運(yùn)動(dòng)的抵抗就越強(qiáng)。不那么嚴(yán)格地說(shuō)：一個(gè)物體對(duì)外力的感召作出回應(yīng)的難易程度依賴于它的慣性質(zhì)量。倘若地球真以同樣的力來(lái)吸引所有物體，那么慣性質(zhì)量最大的物體將比其他物體下落更慢。但事實(shí)并非如此，所有物體都以同樣的方式下落。這意味著地球吸引不同質(zhì)量的力必定是不同的。而地球以重力來(lái)吸引石頭，對(duì)于石頭的慣性質(zhì)量一無(wú)所知。地球的“感召”力依賴于引力質(zhì)量，石頭的“回應(yīng)”運(yùn)動(dòng)則依賴于慣性質(zhì)量。既然“回應(yīng)”運(yùn)動(dòng)總是相同的，也就是說(shuō)，從同一高度丟下的所有物體都以同樣的方式下落，由此可以推斷：引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量相等。

物理學(xué)家會(huì)把這一結(jié)論更加學(xué)究地表述為：落體的加速度與其引力質(zhì)量成正比，與其慣性質(zhì)量成反比。既然所有落體都有相同的恒定的加速度，所以這兩種質(zhì)量必定相等。

在我們這個(gè)絕妙的偵探故事中，沒(méi)有什么問(wèn)題已被一勞永逸地徹底解決。300年后，我們不得不重新回到初始的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，修改研究程序，尋找曾被忽視的線索，從而得到一幅不同的宇宙圖景。