物理学的进化-第3部分

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　　从各种各样的运动中，我们只选择那最简单的，并用刚才所表述的定律来解释它。
枪筒里射出来的子弹，斜向地抛出去的石子，水管里射出来的一股水，它们所行经的路线都成为大家所熟知的抛物线。设想在石子上附加一个速率计，那么石子在任何时刻的速度矢量都可以画出来。这一结果在图１３中充分地表示出来了。作用在石子上的力的方向就是速度改变的方向，而我们已经知道怎样可以决定它。图１４中指出了作用在石子上的力是铅直的，且朝下，这正和我们使石子从塔顶上掉下时完全一样。路线和速度都完全不同了，但是速度改变的方向却都是相同的，那就是，它们都朝向地球的中心。
把一个石子缚住在一根绳子的末端，并在水平面上挥动它，于是它就沿着圆周运动。如果速率不变，那么表示这种运动的图中所有的矢量的长度都相等（图15）。然而速度矢量不断地在改变，因为运动的路径不是直线的。只有在匀速直线运动中才没有任何外力的作用。然而这里速度不是在数值方面改变而是在方向方面改变的。根据运动定律，这种改变必定是由某些外力所引起，而在这个例子中则是由于作用于石子与握绳的手之间的外力所引起的。于是立刻又发生了一个问题：力在哪一个方向上作用呢？我们用矢量图来回答，如图16所示，把两个非常靠近的点的速度矢量画出来，这样就可以找到速度的改变。可以看出，这个矢量沿着绳子朝向圆周的中心，并且永远是跟速度矢量或切线相垂直的。换句话说，手通过绳子对石子加了一个力。
月球围绕地球的转动便是和这完全相似的更重要的一个例子。月球绕地球的转动可以近似地认为是匀速圆周运动。作用在月球上的力是指向地球的，这和前例中力是朝向手的道理一样。地球与月球并没有用绳连接起来，但是我们可以想象在两个物体的中心之间有一根线，力便在这根线上，并朝向地球的中心，这正如石子抛向空中或从塔顶落下时的力一样。
　　前面我们对运动所说的一切，可以用一句话总括起来：力与速度的改变是方向相同的矢量。这是运动问题的初始的线索，然而它必然尚不足以彻底解释一切观察到的运动。从亚里士多德的思想方法转变到伽利略的思想方法，这个转变已成为科学基础的最重要的一块基石。这个转机一旦实现，以后发展的路线就很清楚了。这里我们只注重于发展的最初阶段，即注重于查究最初的线索来指出新的物理概念在它与旧概念的斗争中是如何产生出来的。我们只提到科学上的开创性工作，包括寻找新的和未预见到的科学发展道路，以及能创造出一个永远变化着的宇宙图景的科学思想的奇迹。最初和最基本的步骤总是带有革命性的，科学的想象力发现旧的概念太狭窄了，于是用新的概念去代替它。沿着已经开辟了的任何一种思想路线而继续进行的发展，在到达下一个需要去征服新的领域的转折点以前，是带有进化性的。可是为了了解哪些原因和哪些困难迫使我们改变根本的概念，我们不仅要知道最初的线索，而且还要知道从这些线索中可以推出什么结论来。
现代物理学的最重要的特征之一，是从最初的线索所推出来的结论，不仅是定性的。而且是定量的。我们重新来研究从塔上掉下来的石子。我们已经知道，石子愈往下掉，它的速度愈增加。但是我们还要知道得更多一些，比如这个改变正好多大呢？在它开始掉下来以后的任何一个时刻，石子的位置和速度是怎样的呢？我们希望能够预言事件的结果，并且用实验来决定观察的结果是否确认这些预言，是否确认最初的假设。
　　要得出定量的结论，我们必须运用数学的语言。科学的最基本的观念，按其本质来说，大都是简单的。因此，一般说来，可以用一种每个人都能懂的语言来表达。但是要领悟这些观念，却需要极高深的侦察技术知识。如果我们要推出能和实验结果作比较的结论，我们必须用数学作为推理的工具。由于本书只讨论基本的物理学观念，我们可以避免数学的语言。因为在本书中我们一贯避免数学，所以为了了解在进一步发展中所产生的重要线索，我们有时必须限制自己只引用未加证明的一些结果。放弃数学语言所必须付的代价，便是要失去一些精确性。而且有时得引用一些结果，却不能说明它们的由来。
运动的一个非常重要的例子就是地球围绕太阳的运动。大家都知道，它运动的路线是一个被称为椭圆的闭合曲线。作出速度的改变的矢量图证明了作用在地球上的力指向太阳。但是无论如何，仅有这一点知识是不够的。我们希望能预测太阳及其他行星在任何时刻的位置，我们希望能预测下一次日蚀的日期和时间以及许多的天文现象。所有这些事都能做到，但不是单靠最初的线索就够了，因为必须知道的不仅是力的方向，还要知道它的绝对值，即它的数值。牛顿在这方面作了一个富有想象力的猜测。根据他的引力定律，两个物体之间的引力与它们彼此间的距离有一种很简单的关系：当距离增加时，力便减小。再说得确切些，就是当距离增加到２倍，力便减小到２ｘ２=４倍，当距离增加到３倍，力便减小到３ｘ３=９倍。
　　由此可知，在万有引力方面，我们能够用很简单的形式把运动物体之间的力跟距离的关系表示出来。在所有其他场合遇到各种不同的力，例如电力、磁力之类的作用时，我们也以同样方法处理。对于力，我们想用一种简单的表达方式来解释。这种表达方式是否恰当；只要看从它推断出来的结论是否为实验所确认。
　　但是单有引力的知识还不足以描述行星的运动。我们已经知道，表示很短时间问隔内的力和速度的改变的矢量，它们的方向是相同的，但是我们必须再往前追随牛顿一步，假定它们的长度之间有一种简单的关系。如果所给的其他一切条件都相同，就是说，同一个运动的物体，而且通过相同的时间间隔来考察速度的改变，那么，按照牛顿的说法，速度的改变正比于力。
　　因此为了得出关于行星运动的定量的结论，需要两个补充的猜测。一个是一般性质的，说明力和速度改变之间的关系。另一个是特殊性质的，说明这种特殊类型的力和物体之间的距离的关系。第一个就是牛顿关于运动的普遍定律，第二个是他的引力定律。两个定律结合起来就能决定行星的运动。用下面听来似乎很笨拙的一些推理就可以把这个意思弄清楚。假设我们能够测出行星在一定时刻的位置和速度，并且力也是已知的，那么，根据牛顿定律，我们便知道在非常短的时间间隔内的速度的改变。知道了初速度和速度的改变，我们就可以求出行星在这个时间间隔的末时刻的速度和位置。连续地重复这个过程，我们就可以不必再求助于观察资料而把整个运动路线求出来。从原则上来说，这是力学上预测一个运动物体行经路线的方法，但是用在这里是非常不合适的。在实用上，这种逐步进行的手续是极端冗烦而且是极不准确的。幸好这种方法完全是不必要的，数学给予我们一条捷径，使我们有可能准确地描述运动，而且所写的字比我们写一个句子的字还要少些。用这种方法所得到的结论可以用观察加以证明或推翻。
　　从石子在空中降落的运动里以及月球在它轨道上的转动里，还可以看出与上述同一类型的外力，这就是地球对物体的吸引力。牛顿认为：石子下降的运动、月球和行星的运动都是作用于任何两个物体之间的万有引力的专门例证。在简单情况中，运动可以用数学加以描述和预测。在某些非常复杂的情况中，要牵涉到许多物体相互之间的作用，数学的描述就不是那样简单了，但是基本的原理还是一样的。
　　我们觉得我们从最初的线索中推理而得的结论，现在已经在抛石子的运动中，在月球、地球和行星的运动中被证实了。
　　凡是要用实验来加以证明或推翻的结论实际上都是一些猜测罢了。但是没有一个假设可以从其他的假设中分离出来进行单独的实验。在行星围绕太阳运动的例子中，力学的体系已经取到很大的成就。可是我们很容易想象，建立在另一些假设基础上的另一个体系也可以同样获得成就。
　　物理学的概念是人类智力的自由创造，它不是（虽然表面上看来很像是的）单独地由外在世界所决定的。我们企图理解实在，多少有些像一个人想知道一个合上了表壳的表的内部机构。他看到表面和正在走动着的针，甚至还可以听到滴答声，但是他无法打开表壳。如果他是机智的，他可以画出一些能解答他所观察到的一切事物的机构图来，但是他却永远不能完全肯定他的图就是惟一可以解释他所观察到的一切事物的图形。他永远不能把这幅图跟实在的机构加以比较，而且他甚至不能想象这种比较的可能性会有何意义。但是他完全相信：随着他的知识的日益增长，他的关于实在图景的描绘也会愈来愈简单，并且它所能解释的感觉印象的范围也会愈来愈广。他也可以相信，知识有一个理想的极限，而人类的智力正在逐步接近这个极限。也就是这样，他可以把这个理想极限叫做客观真理。
还有一个线索
　　在人们最初研究力学的时候，他们会有这么一种印象，认为在这个科学分支中，一切都是简单的。基本的并且是永恒不变的。几乎没有人怀疑到还存在着一个重要的线索，这个线索300年来谁也没有注意过它。这个被人们所忽略了的线索与力学的基本概念之一——质量有关。
　　我们再回来研究一辆小车在绝对平滑的路上运动的那个简单理想实验。假如小车起先是静止的，然后把它推一下，以后它便以一定的速度匀速地运动。假定作用力可以重复到要多少次有多少次，自然，产生推的作用的机构每次是以同样的方式，而且总以同样大小的力作用于同一辆车上。虽然把这个实验重复多少次，小车最后的速度总是一样的。但是如果把实验改变一下，车上早先是空的，现在让它装上东西，结果会怎样呢？重车的最后速度会比空车的小些。结论是：假如以同样的一个力作用于两个不同的。原来静止的物体上，那么产生的速度将不一样。我们说，速度与物体的质量有关，质量愈大，速度愈小。
　　因此我们至少在理论上能知道如何决定物体的质量，或者更确切他说，怎样决定一个质量比另一个质量大多少倍。我们以同样大小的力作用于两个静止的质量上，若发现第一个质量的速度３倍于第二个的速度，我们断定第二个质量３倍于第一个质量。自然，这不是决定两个质量之比的一种很实用的方法。不过，我们可以想象，无论用这种方法或用惯性定律为基础的其他类似方法，这总是能做到的。
　　实际中我们是怎样测量质量的呢？当然，不是用上面所描写的那种方法。每个人都知道这个正确的方法，我们把物体放在天平上称一下就算测定了它的质量。
　　让我们把测量质量的这两种方法更仔细地讨论一下。
　　第一个实验跟重力，即地球的引力无关。小车在被推之后，就沿着绝对光滑的平面运动。重力使小车附着在平面上，它是不变的，因而在测量质量方面是完全不起作用的。这种测量质量的方法和放在天平上称的方法是完全不同的。如果地球不吸引物体，即如果不存在重力的话，我们无论什么时候也不能使用天平。这两种测量质量的方法的差异在于：第一种方法与重力没有任何关系，第二种则全靠重力的存在。
　　我们问：如果我们用上面所说的两种方法测量两个质量之比，那么我们所得到的结果是一样的吗？实验给我们的答复很清楚，结果是一样的。这个结论是不能够预知的，因为它是根据观察而不是根据推理得出来的。为简便起见，我们把用第一种方法所测定的质量叫做惯性质量，而把用第二种方法所测定的质量叫做引力质量。在我们的世界中它们刚巧相等，但是我们很容易想象，它们并不是永远或到处相等的。这样就立刻产生了另一个问题：这两种质量的相等是纯粹偶然的呢，还是有更深远的意义？根据经典物理学的观点，回答是：这两种质量的相等是偶然的，再也没有更深远的意义可寻了。现代物理学的回答却恰恰相反：这两种质量的相等是根本性的，并且它构成了新的、非常重要的线索，这个线索将我们引导到更深远的理解领域。事实上，这是由此而产生所谓广义相对论的非常重要的线索之一。
　　一个侦探故事，如果它把奇案都描写成为是偶然的，那么它决不是一个好故事。按照合情合理的安排来发展故事的情节，我们一定会感到更满意。对于理论的看法也完全一样，尽管两种理论都跟观察到的情况相符，如果其中一个理论能作出引力质量和惯性质量为什么相等的解释，而另一个理论却认为它们的相等是偶然的，那末前一个理论比后一个好些。
　　因为惯性质量和引力质量的相等是阐明相对论的基本原理，我们应当在这里把它更细致地考查一番。有什么实验令人信服地证明了两种质量是一样的呢？答案已隐伏在伽利略从塔上丢下不同质量的各种物体的古老实验里了。他发现各种质量的下落时间总是相同的）也就是一个落体的运动与质量无关。要把这个简单的但又非常重要的实验结果跟这两种质量的相等联系起来，还需要了些更复杂的推理。
　　一个静止的物体受了外力的作用以后，它就以一定的速度开始运动。它受外力作用而运动的难易程度和它的惯性质量有关。质量大时，便不容易动，质量小时，便容易动。若不要求十分严格，我们可以说，一个物体受外力作用的感召，其应验的灵敏程度决定于它的惯性质量。假使地球确实以同样的力来吸引所有的物体，那么惯性质量最大的物体，在下降中就会比任何其他物体慢些。但是事实并不这样，所有物体的下降情况都相同。这表示地球必定以不同的力吸引不同的质量。这样，地球只以重力来吸引石子，对于石子的惯性质量是什么也不知道的。地球的“感召”力决定于引力质量。石子的“应验”运动决定于惯性质量。因为“应验”运动总是一样的，那就是说，从同样高度下降的一切物体都是一样的情况。从此可以推论：引力质量和惯性质量相等。
　　上面这个结论，由物理学家来表述，就更带学究气味了：一个落体的加速度与其引力质量成正比而增加；而与其惯性质量成反比而减小。因为所有的落体都具有相同的不变的加速度，所以这两种质量必定是相等的。
　　在我们这个奥妙的侦探故事中，没有一个已经完全解决的问题，也没有一个永远不变的问题。300年之后，我们又回到最初的运动问题上来修改侦查的程序和寻求过去被忽视的线索，因而得到了我们周围宇宙的另一个不同的图景。
热是一种物质吗
现在我们来着手了解一个新的线索，它是在热现象的范围内起源的。可是我们不能把科学分割成若干独立的、无关的部分。
事实上，我们很快就会看到这里所介绍的新概念是和那些已熟知的概念以及我们将来还要遇到的概念交织在一起的。在科学的一个分支部门里所发展起来的一种思想方法往往能够用来解释表面上完全不