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下文节选自《破解引力——广义相对论诞生之路》：

7.2 重性与惯性的重新统一

      不管我们发展出什么概念、什么定律、或是什么原理,我们的目标只有一个,那就是要解释现象,即“为什么所有物体都以相同方式自由下落? 为什么所有行星都以相同方式运动 (古希腊人认为都是匀速圆周运动,后来人们认为都是按开普勒三大定律运动)?”

      如果不是受到历史发展先后顺序的影响,而是把从古至今的所有解释方案放在一起比较,那么亚里士多德对运动的分类思想是最深刻的。在第1、2章详细谈论过,根据亚里士多德的分类,这两种运动都是合乎自然的运动,而除此之外的运动都是反自然的运动。合乎自然的运动仅仅靠其自然本性就能维持,而反自然的运动则需要外部的干扰才能维持。由于 物理学在之后的发展演化过程中混淆了这两类运动,最终演变出了引力质量是否严格等于惯性质量的问题。

      亚里士多德的自然指的是:事物因其本性而发生变化或保持不变的最初根源。合乎自然的运动就是由这种自然本性产生,不需要外部干扰就能靠自身维持。至于这个自然本性到底是什么? 亚里士多德认为它就是物体或天体自身具有返回并停留在其固有位置的倾向。这种 倾向后来有了两个名字——— “重性”和 “惯性”,它们就是物体的自然本性。所以它们表示 的是同一个意思,代表的是同一个对象。之所以大家在后来认为它们是不同对象,这是由于 历史发展的先后顺序造成的。

      惯性的概念是在17世纪才开始出现的。惯性运动也是指在没有任何外部干扰的情况下, 物体仅仅靠其自身本性所维持的运动。这种运动当然就是亚里士多德所说的合乎自然的运动。因为合乎自然的运动也是不受外部干扰的,仅靠其自然本性就能维持。所以,在当时惯性就是亚里士多德所说的自然本性,和重性是同一个意思。

      到了17世纪,人们的思想已经发生了一次180°的大转变。这个转变就是:大家认为物体的自由下落和行星的运动不再是合乎自然的运动,而是反自然的运动,是需要外部的干扰 (即引力)才能维持的运动。也就是说此时将物体的自由下落和行星的运动从亚里士多德分类中的第一类运动转变为了第二类运动。这样一来,物体自由下落的原因就从物体的自然本性转变成了外部因素 (即引力)干扰。那么,现在想要一个没有任何外部干扰因素的空间环境,就需要把地球以及其它全部天体都去掉才行了,因为地球现在已经成为了外部干扰因素。

       为了达到这个目的,笛卡儿构造了一个 “想象的世界”(牛顿的绝对空间正是来源于此世界)。在这个 “想象的世界”中,所有天体和物质都可以消失,只剩下一个孤零零的物体。 那么在这样一个空虚的世界中,这个孤零零的物体才不会受到任何外部的干扰。只有在这种情况下,这个物体的运动才是仅仅只靠其自然本性而发生的运动,即这种运动就是由惯性产生的运动,也就是笛卡儿所说的匀速直线运动。

        所以,经过17世纪的这次思想大转变之后,符合亚里士多德所说的合乎自然的运动只有一种了,那就是:孤零零的一个物体在这个 “想象的世界”中的匀速直线运动。正是在这个转变之后,惯性的概念出现了,但重性的概念已经淡化甚至消失了。重性转变成了重力或引力,变成了外部干扰因素,这让惯性与重性成为了两个完全不相关的对象,从此分道扬镳。

        但是,这样的 “想象的世界”是不存在的,真实世界一定存在着地球和其它天体。地球和这些天体都会产生引力,这些引力被视为物体运动的外部干扰因素。也就是说真实世界中不存在一个没有任何外部干扰因素的空间环境,所以像匀速直线运动这样的惯性运动在真实世界中是不存在的。那么在我们这个真实世界中,还存在着惯性运动吗? 这个问题相当于在问:在真实世界中,哪个地方还存在没有任何外部干扰因素的空间环境呢? 似乎很难找到了。

        但是只要我们转变思想,这个问题就豁然开朗,即只要把思想再180°转变回去,回到亚里士多德的思想上来就够了。也就是重新将物体的自由下落和行星的运动视为是合乎自然的运动,视为仅仅只靠其自然本性产生,而不是由外部干扰 (如引力)产生。在思想这样转 变回来之后,这个真实世界本身就是一个没有任何外部干扰因素的空间环境。那么物体的 自由下落和行星的运动在这个环境中就是仅仅靠其自然本性产生的运动,是在没有任何外部干扰因素下出现的运动,所以这种运动当然就是惯性运动。 匀速直线运动只是在把所有天体和物质都去掉之后的 “想象的世界”中的惯性运动,并

不是我们这个真实世界中的惯性运动。而物体的自由下落和行星按开普勒三大定律的运动才是我们这个真实世界中的惯性运动。

       所以,只要思想重新转变回去,我们就会看到惯性和重性本身就是同一个对象。对于理性主义者来说,这个结论是成立的,因为这一切推理都是遵循着笛卡儿的理性主义思想进行的,即:我们都是从清晰而简单的概念出发,再通过严格的逻辑推理得到的结论,所以这些结论是可靠的。

       但历史的发展总是曲折的。由于思想在17世纪的这个巨大转变,人们思想认识的分歧在之后变得越来越大了。重性变成了重力,重力延伸出引力质量;而惯性变成了惯性力 (离 心力),惯性力延伸出惯性质量。这导致人们很难看清引力质量和惯性质量其实来源于同一个对象———即引力质量等于惯性质量的根源。

        不过,到了19世纪下半叶,马赫和庞加莱通过对牛顿力学的批判,已经意识到:惯性运动不仅仅只有匀速直线运动,其它运动也可以是惯性运动,比如庞加莱提到的匀速圆周运动。大家对惯性的认识正在慢慢地发生转变。终于到了爱因斯坦的时候,惯性和重性再次被统一起来,亚里士多德对运动的分类思想得以恢复。也就是说,物体的自由下落和行星的运 动再次被视为是靠其自然本性产生的运动,只是一种惯性运动而已。这个思想就是爱因斯坦的等效原理背后最深层次的含义