我们再回转来研究一辆小车在绝对平滑的路上运动的那 个简单的理想实验。假如小车赵先是静止的,然后把它推 下,以后它便以一定的速度匀速地运动。假定作用力可以重 复得要多少次有多少次,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 者更确切地说,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 质量的速度三倍于第二个的速度,我们断定第一个质量比第 二个小三倍。自然,这不是决定两个质量之比的一种很实用 的方法。可是我们很可以想象,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。 我们实际上是怎样决定质量的呢?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答复。我们把物 体放在天平上秤一下就算决定了它的质量。 让我们把决定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,因而在决定质量上是完全不起作用的。这种决 定质量的方法和放在天平上秤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。这两种决定质量的方法的差异在于:第一种 方法与重力没有任何关系,而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决定两个质量 之比,那么我们所得到的结果是一样的吗?实验绘我们的答 复是很清楚的。结果恰恰是一样的。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决定的质量叫做惯性质量,而把用 第二种方法所决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,回答是这样的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。但是现代物理学的回答恰恰相反:这两 种质量的相等是根本性的,它并且构成了新的、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。 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闸明相对论的基本原 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,那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 质量的相等连结起来,还需要一些更复杂的推理。 个静止的物体受外力作用以后,它就开始运动并达到 定的速度。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 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,从同样高程下降的一切物体都是一样情况的。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 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。三百年之后,我们又回 到最初的运动问题上来修改使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 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同的结果。在这种过程里, 原来的概念往往须加以修改才能帮助我们既可理解这个概念 得以产生的那些现象,也可理解目前正有待于这个概念来解 释的那些现象。 用来描述热现象的最基本的概念是温度和热,在科学史 上经过了非常长的时间才把这两种概念区别开来,但是一经 辨别清楚,就使科学得到飞速的发展。虽然这两个概念现在 是每个人都熟悉了,我们仍把它们细致地加以考察,并且着重 地指出两者的区别。 我们的触觉会很清楚地告诉我们,一个物体是热的,而另 个物体是冷的。但是这纯粹是定性上的判断标准,还不足 以作定量的描述,而且有时甚至会含糊不清。这已经从大家 所熟知的一个实验中得到证明:设有三个容器,一个装冷水, 个装温水,一个装热水。如果我们把一只手浸入冷水内,而 另一只手浸入热水内,那么我们得到的感觉是:第一个容器里 的水是冷的,而第二个里的水是热的。如果随后我们把这两 只手同时浸入到温水里,那么两只手得到的两种感觉是相互 矛盾的。同样的道理,如果一个北极国家的居民和赤道国家 的居民于春季时在组约会面了,他们对于气候是冷是热也持 有不同的意见。我们用温度计来解决所有这些问题,最早期 的温度计是伽利略(又是那个熟悉的名字!)所设计的。温度 计的使用是以某些明显的物理学假说为基础的。我们可以引 用大约在百五十年以前布勒克①的讲义中的几行文字来温 ①Back 炯
习一下这些假说,他对于扫除热和温度这两个概念含混在一 起的困难问题上有很大的贡献 由于应用了这种仪器,我们发现,假如我们取一于种甚至更多的不 同种类的物质,例如金属、石子、盐木、羽毛、羊毛、水和各式各样的液 体把它们一起放在一个没有火和没有阳光照射进去的房内,虽然它 们原来的热都各不相同,在放进这个房间以后,热会从较热的物体传到 较冷的物体中,经过几个小时或一天以后,我们用一个温度计把所有这 些物体一一检查过来,温度计所标出的度数都是相等的 引文中有一个下面加点的“热”字,按照现代的术语,这个 字应该用温度来代替。 个医生从病人口中把温度计拿出来,他可以作这样的 推理:“温度计用它的水银柱的长度指出它自己的温度。我们 假定水银柱长度的增加是与温度的增加成正比例的。但是温 度计和我的病人接触了几分钟,所以病人和温度计具有相同 的温度。因此我推断我的病人的温度就是温度计上所记录的 那个温度”。医生也许只是在做无意识的工作,然而他没有想 到他已经在运用物理学的原理了。 但是一个温度计所包含的热量是不是和一个人的身体所 包含的热量一样呢?自然不是。假如因为两个物体的温度相 等,便认为它们的热量也相等,象布勒克所指出的,这是 把问题看的太马虎了。这是把不同物体中热的量和热的一般强度 成集度相混了。很明显,这是不同的两件事,在研究热的分布时,我们 应当经常加以区别 只要考察一个很简单的实验,我们就可以理解这种区别。 把1公斤水放在一个火焰上加热,要使它的温度从室温改变 到沸点需要一些时间。如果同一个容器装上十二公斤水并且 用同一个火焰来加热,要使它达到沸点,那么,需要的时间就