人类的知识-第6章

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的滚球草场上，滚球不久就会停下来；一块扔在冰上的石头不能永远滑动下
去。虽然天体一直按照轨道运行，发现不出速度有任何减少；但是天体的运
动并不是直线运动。按照惯性定律的说法，石块在冰上的减速，天体沿着曲
线轨道运行都不能从它们的本来性质上，而只能从环境的作用上得到说明。

这个原理使人们有可能把物理世界看作一个在因果关系上独立自足的体

系。人们不久就发现在任何一个动力学上独立的体系内——在非常近似的意
义上讲例如太阳和行星——每个方向的运动量或动量都是一定不变的。所以
一个一旦开始运动的宇宙将永远保持运动状态，除非出现奇迹，使它停止运
动。亚里斯多德认为行星绕着轨道运行要有神来推动，而地球上的运动则可
以由动物的自发动作而产生。按照这种看法，物质的运动只能靠物质的原因
得到说明。惯性定律改变了这种情况，并且使只靠动力学定律来计算物质的
运动成为可能。

照物理学的术语来讲，惯性原理表示，物理学的因果律应该通过加速度
——速度在量或方向上或者同时在量和方向上发生的变化——的说法叙述出
来。古代人和经院派学者认为天体作匀速圆周运动是“理所当然”的，这时
人们发现并不是这样，因为这种运动需要不断改变运动的方向，脱离直线的
运动需要一个原因，这个原因可以在牛顿的万有引力定律上找到。

加速度既然是位置对于时间的第二微分，那么根据惯性定律我们就可以
得出动力学的因果律一定是第二级的微分方程这个结论，虽然这种说法直到
牛顿和莱布尼兹发明微积分之后才能够提出来。经过理论物理学在近代发生
的所有变化，惯性定律的这个结论却一直站得很稳。加速度的基本重要性也
许是伽里略的全部发现中最有永久价值和最能阐明问题的一个发现。

用牛顿的语言来说，力的平行四边形定律所讲的是一个物体同时受到两
种力的作用时所发生的情况。这个定律说，如果一个物体受到两种力的作用，
其中一种力的方向和大小用直线AB　来度量，另一种力用直线BC　来度量，那
么这两种力同时作用的结果就用直线AC　来度量。大体说来，这就等于说两种
力同时发生作用的结果和它们前后连续发生作用的结果相等。用专门术语来
说就是方程是线性方程，这种方程大大便利了数学上的计算。

我们可以认为这个定律确认同时发生作用的不同原因是各自独立的。让
我们举伽里略具有专门研究兴趣的抛射体问题。如果地球不吸引抛射体，那
么根据惯性定律抛射体就会继续以匀速与地平面平行运动（空气的阻力不计
算在内）。如果抛射体没有初速，那么抛射体就会以等加速度垂直降落。要
确定例如一秒钟以后抛射体实际所在的位置，我们可以假定抛射体先与地平
面平行作一秒钟的匀速运动，然后从静止状态开始一秒钟的等加速度垂直降
落。

如果一个物体所受的力不是固定不变的话，那么这个原理就不允许我们
在有限时间内分别计算每一种力，但是如果有限时间很短，那么分别计算出
来的每一种力将达到近似正确，并且时间越短结果就越正确，而以完全正确
为极限。

我们必须认清，这个定律是完全建立在经验上的；它的真实性并没有任
何数学上的理由。大家相信它只限于在有证据支持它的情况下。在量子力学
中并不假定这个原理，有些现象似乎表明这个原理对于原子以内的现象并不
适用。但是它在研究比较大的现象的物理学中仍然有效，在古典物理学中它
起过很重要的作用。

从牛顿到十九世纪末，物理学的进步并没有产生具有根本性质的新原
理。1900　年普朗克提出的量子常数H　是第一次出现的革命性的新事物。但是
在讨论主要在研究原子结构和行为上占重要地位的量子论之前，我们必须对
于远不及量子论那样离开牛顿原理的相对性稍谈一下。

牛顿相信除了物质之外，还有绝对的空间和绝对的时间。这就是说，有

一个三度的点簇和一个一度的瞬间簇，并且有一种包括物质、空间和时间在
内的三项关系，即在一个时刻“占有”一个点的那种关系。就这种看法来说，
牛顿和德漠克利特以及其他古代原子论者的意见是一致的，这些原子论者相
信“原子和虚空”的存在。其他哲学家则认为空无一物的空间是不存在的，
物质一定是普遍存在的。这是笛卡尔的意见，也是莱布尼兹的意见，牛顿（我
们拿克拉克博士作他的代言人）同后者在这个问题上发生过争论。

作为一个哲学问题，不管物理学家抱什么态度，牛顿的看法已经包含在
动力学的方法之中，并且像牛顿所指出的那样，选择这个看法是有经验上的
理由的。如果我们旋转桶里的水，那么水就要溢出桶边，但是如果只旋转水
桶，而让水保持静止，那么水面就会仍然保持水平状态。因此我们能够把水
的旋转和桶的旋转区别开来，如果旋转只是相对的，我们就不可能做到这一
点。从牛顿以来，其它这一类的论证已经很多。傅科锣的地球两极变得扁平
以及物体在低纬度的重量比在高纬度的重量减轻这件事实会使我们推论出即
使天空永远布满黑云地球也要转动的结论；事实上，根据牛顿的原理，我们
可以说日夜交替和星体升落的原因在于地球的自转而不在于天体的运转。但
是如果空间完全是相对的，那么“地球自转”与“天体运转”这两句话之间
的区别就只是字面上的区别了：两者必然都是描述同一种现象的方法。

爱因斯坦表明怎样避免牛顿的结论，而把时空的位置完全看成是相对
的。但是他的相对论的意义却远远超过这一点。他在狭义相对论里表明两个
事件之间存在一种关系，我们可以叫它为“间隔”，“间隔”可以用不同的
方法分为我们可以看成一段空间距离和我们可以看成一段时间长短的东西。
所有这些不同的方法都是同样合理的；哪一种也不比别的一些方法更为“正
确”。选择它们完全靠习惯来决定，正象选用米制或尺寸制一样。

根据这一点我们可以看出物理学的基本簇不能由运动中的永存质点组
成，而只能由一个四度的“事件”簇组成。将有三个坐标确定事件在空间中
的位置，一个坐标确定它在时间上的位置，但是坐标的改变可能改变空间坐
标以及时间坐标，而这种改变不象以前那样限于对一切事件都相同的常量—
—例如把日期从回教纪元改变为基督教纪元。

广义相对论——发表于1915　年，晚于狭义相对论十年——主要是关于引
力的几何理论。理论的这一部分可以被认为是稳固站得住的。但是它也具有
比较抽象的特点。在它的方程式中，它包括一种叫做“宇宙常数”的东西，
这个常数确定宇宙征任何时刻的大小。像我在前面所说的那样，理论的这一
部分被认为表明宇宙不是变得越来越大就是变得越来越小。遥远的星云趋向
光谱的红极披认为表明星云正以一种与它们和我们的距离成正比的速度离开
我们。这就让我们得出宇宙是在扩展而不是在收缩的结论。我们必须认识到，
根据这个理论，宇宙是有限而无边的，和球体的表面一样，但却具有三度。
所有这些都涉及到非欧几何，对于那些固执地保持欧几里得几何想象的人来
说免不了显得有些神秘。

广义相对论有两方面与欧几里得空间不同。一方面有可以叫作小规模的
不同（例如这里把太阳系看成“小”的东西），另一方面有就整个宇宙来说
的大规模的不同。小规模的不同发生在物质的邻域，是用来说明引力的。我
们可以拿它们与地球表面的山岗和山谷相比。大规模的不同可以与地球是圆
的而不是扁平的这件事实相比。如果你从地球表面上任何地点出发，尽可能
一直向前走，那么最后你还会回到你原来出发的地点。同样，宇宙中无可再

直的直线被认为最后也要与本身相遇。因为地球表面是两度并且地球以外还有另外的领域，而宇宙的球体空间是三度并且本身以外再也没有其他领域，
所以这种与地球表面的相似情况到了这里就不存在了。宇宙现在的周界介乎
60　亿和600　亿光年之间，但是宇宙的大小大约每过13　亿年增大一倍，可是
所有这些说法决不能看作是最后的结论。

按照米尔诺教授的意见①。。　在爱因斯坦的学说中还有很大一部分是可以怀
疑的。米尔诺教授认为没有把空（，）　间看成非欧几里得空间的必要，我们采用哪
一种几何可以完全看方便来决定。照他的说法，各种几何之间的不同是语言
上的不同，而不是被描述的对象有什么不同。对于物理学家所争论的问题，
一个门外汉最好还是不要冒然提出自己的意见，但是我却认为米尔诺教授的
看法多一半可能是正确的。

与相对论恰成对比，量子论所研究的是知识所能达到的最小的事物，即
原子和原子结构。在十九世纪中人们已经弄清楚物质的原子构成，人们还发
现不同的元素可以排列成一个从氢开始到铀为止的系列。一个元素在这个系
列中所占的位置叫作它的“原子序”。氢的原子序是1，铀的原子序是92。
现在这个系列存在两个空位，所以已知的元素的数目是90　而不是92　；但
是这些空位却说不定在哪一天就会给填补上，像以前存在的空位被新元素填
补上那样。一般来说，但并不是没有例外，原子量越大原子序也就越大。在
鲁特福德以前，关于原子结构，或者关于使不同原子排成一个系列的物理性
质还没有一种言之成理的学说。这个系列当时只凭化学性质来确定，而关于
这些性质并没有物理学的说明。