四、惯性质量和引力质量

发展一种新的理论，仅有哲学上的启迪和对于旧理论的批判是不够的，还需寻找建立新理论的突破口。爱因斯坦建立广义相对论的突破口来自三百年前伽利略的另一项重要贡献。

　　伽利略在他的《关于力学和运动两门新科学的对话》中写道：“我曾经做过试验，可以向你保证，从200肘尺高处放下的一颗一两百磅甚至更重的炮弹，不会比一同放下的仅重半磅的枪弹到达地面要领先一秒钟。”这段叙述表明所有物体的重力加速度相同。亚里士多德曾根据他的运动风，重物下落是物体回归天然位置的自然运动，物体越重，趋向天然位置的倾向就越大，自然得出物体越重，下落得越快。伽利略反对亚里士多德的运动知识化 ，他以实验事实作了不力的反驳。然而他并同有认识到这条定律的深刻含义。

　　所有物体的重力加速度均相同，反映的是任何物体的惯性质量与引力质量相等。根据牛顿定律，作用在物体上的外力等于物体的质量乘以获得的加速度，这里的质量是物体的惯性质量；另一方面，物体下落时，作用在物体上的力是地球对它的吸引力，它与物体的引力质量成正比。既然物体在重力作用下加速度不依赖于物体，则引力 质量与惯性质量成正比；选取相同的单位，两者相等。

　　我们知道，惯性质量是物体惯性的量度，反映物体对加速度的阻抗，而引力质量是物体引力属性的量度，反映物体产生和承受引力的能力。它们显然是物质的两种完全不同的属性，描述物质两种不同性质的量是否严格相等是一个问题，并第一次想到用实验来明确检验两者的等同性。他在他的《原理》一书中记叙了他所做的实验。他做了两只等大的圆木盒，用11英尺长的细绳悬挂起来构成摆，一只装满了木料，另一只装入得量的金或银、铅、玻璃、沙、食 盐、水以及小麦等等，比较它们的摆动周期。根据牛顿定律容易得出周期T。可以看出仅当惯性质量m惯与引力质量m引之比与材料无关，两摆的周期才会相等。牛顿实验中没有观察到两摆周期的差异，由此他推算出m引/m惯=1+0（10-3），即两者相符合的精度在10-3以内。以后又有不少物理学家做实验，把精度提高了许多，如1830年贝塞耳得0（10-5），1889年厄缶得0（10-8），1964年迪克得0（10-11），1971年布拉金斯基得0（10-12）。

　　看来惯性质量和引力质量相等是一条严格的定律。那么，这是一种巧合吗，还是有更深刻的原因？它意味着什么？这是又一个值得思考的问题。人们研究发现，在牛顿力学中无法加以说明，于是长时期里它就成为游离于物理学之外而不加重视的一个结论。

　　爱因斯坦对于惯性质量和引力质量严格相等的印象很深，他在给英国格拉斯哥大不所作的报告《广义相对论的来源》中说：“在引力场中，一切物体都具有同一加速度。这条定律也可表述为惯性质量同引力质量相等的定律，它当时就使我认识到它的全部得要性。我为它的存在感到极为惊奇，并猜想其中必定有一把可以更加深入地了解惯性和引力的钥匙。”他一直深信：“一个有希望受到应有的信任的理论，必须建立在有普遍意义的事实上。”而这一惯性质量同引力质量相等的定律的确是一个奇特的具有普遍意义的事实 。他不断地思考这一问题，终于有一天找到了问题的答案。他于1922年在日本京都大学所作的报告《我是如何发现相对论》中说道：“这个难题的突破点突然在某一天找到了。那天，我坐在伯尔尼专利局办公室里，脑子里突然闪现一个念头：如果一个人正在自由下落，他决不会感到他有重量。我吃了一惊。这个简单的想象给我的印象太深刻了。它把我引向新的引力理论。我继续想下去：下落的人正在作加速运动，可是在这个加速参考系中，他有什么感觉？他如何判断面前所发生的事情？”爱因斯坦在这里所说的突然闪现的念头就是那著名的爱因斯坦升降机的理想实验。设想观察者在一个密封的升降机里做力学实验，一种情形是升降机静止在地面上（地球看成是惯性系），它是一个惯性生活费，其中存在地球的引力场，由于m惯 = m引 ，任何物体的重力加速度均相等为g；另一种情形是升降机远离一切物体，即处于没有引力场的地方，它相对于某个惯性系以加速度g上升，它是一个非惯性系。在这两种情况下，观察者测得物体下落的加速度是g，他观察到的力学现象都相同，他无法断定他所在的参考系究竟是有引力场的惯性系还是并无引力的非惯性系。这表明物体在非惯性系中的运动等效于引力场作用下的运动，或者说非惯性生活费与引力场等效，爱因斯坦把它称为“等效原理。”根据等效原理，引力场可以用非惯性来消除，例如在引力场中自由降落的参考系中就消除了引力，在这个自由落体系中，惯性定律很好地成立，一个不受外力作用的物体将保持其原有运动状态，这一参考系实在是很好的惯性系，其中物理规律具有狭义相对论的形式。另外，非惯性系与引力场等效，非惯性系与惯性系就没有原则性的区别，它们都可以同样好地用来描述物体的运动，没有哪一个比另一个更优越。由此爱因斯坦把狭义相对性原理推广为一切参考系都是等价的，没有哪一个比另一个更优越，爱因斯坦把它称为广义相对性原理。爱因斯坦的广义相对论就是在等效原理和广义相对性原理这两条原理的基础上发展起来的。在广义相对论中，惯性系不再是理论上和实践上不可捉 摸的，它就是自由落体系；前述狭义相对论的两点不足通过等效原理和广义相对性原理联系在一起一揽子加以解决，广义相对论清楚地回答了不存在特别优越的惯性系，所有的参考系对于描述物体的运动都是等价的，而引力问题通过广义的时空坐标变换纳入相对论理论中。

　　由此可见，原来牛顿力学中无法加说明的惯性质量与引力质量相等不再是游离于物理学之外的一个普遍事实，而是成为意义得大的广义相对论的基石。爱因斯坦找到了这块基石，并由此发展了广义相对，这实在是爱因斯坦独具慧眼、超群绝伦的伟大贡献。

　　五、马赫原理的检验和评价

　　马赫的思想启发爱因斯坦，引导他改造牛顿力学，建立了广义相对论，马赫的功绩不可磨。然而马赫认为物体的惯性来源于宇宙中其他物质作用的想法（马赫原理）还值得进一步研究。

　　根据马赫原理，物体的惯性不是物体自身的属性，而是宇宙中其他物质对物体作用的结果，那么物体 近旁如果有一个大质量物体，它就会对物体的惯性产生影响。例如，处在银河系中的一个物体的质量应来自两部分，一部分来自宇宙整体的影响，它是各向同性的；另一部分来自银河系的影响，它应是各向异性的，物体朝着或离开银心加速时惯性质量会稍有不同。是否存在这一各向异性的影响是物理学家关心的问题。

　　有一些关于马赫原理的实验检验，其中一个实验的要点如下，如果惯性质量是各向同性的，原子Li7的基态能级在磁场中劈裂为四个等间距的能级，能级之间跃迁的吸收光谱是一条谱线；但如果惯性质量是各向异性的，能级的劈裂不是等距的，则能级之间跃迁的吸收光谱不是一条而是靠得很近的三条谱线。实验在12小时间隔内进行，在此时间内地球的自转相对于银心处于不同位置。结果没有观察到谱线分裂，根据观察到的线宽，估计出质量的各向异性部分与各向同性部分之比△M/M<10-21 。结果并不支持马赫原理。

　　进一步分析，按照马赫原理，在一块大质量物体的近旁，试验物体的惯性必定会有所不同，它将改变惯性系使试验物体向着大质量物质加速；而按照广义相对论，惯 性系是由局部引力场来决定的。它虽然表现了宇宙间全部物质的影响，但在局部惯性中，运动规律仍然是狭义相对论的形式，显示不出邻近大质量物体的影响。可见，马赫原理同广义相对论是对立的。

　　尽管马赫原理对爱因斯坦建立广义相对论起过积极的作用，但是马赫原理不是广义相对论的一个前提，也不是它的一个推论。究竟物体的惯性完全归因为外部的作用，还是归因于物体的内部性质，还有待于未来的研究。