利·英费尔德
  [美]艾.爱因斯坦 利.英费尔德物理学的进化
  第一章 机械观的兴起
  奥妙的侦探故事
    我们设想有一个完美的侦探故事这个故事告诉我们所有重要的线索,这样使我们不能不提出自己对事件真相的见解如果我们仔细研究故事的构思,不等作者在书的结尾作出交代,我们就早已得到完满的解答了只要不是低劣的侦探故事,这个解答不会使我们落空,不但如此,它会在我们期待它的一刹那就立刻出现
    我们是不是可以把一代继一代地在自然界的书里不断发现秘密的科学家们比作读这样一本侦探小说的人呢这个比喻是不确切的,并且以后得放弃它,但是,它多少有些比得恰当的地方,它应当加以扩充和修改,使更适合于识破宇宙秘密的科学企图
    这个奥妙的侦探故事,至今还没有作出解答我们甚至不能肯定它是否有一个最后的答案但是阅读这本书已使我们得到许多收获它已教会我们懂得自然界的基本语言,它使我们了解到许多线索,而且它是科学的历次艰苦发展中精神愉快和奋发的源泉不过我们体会到,尽管读过和研究过的卷帙已经很不少了,但如果肯定有一个答案的话,那我们离最后的答案还很远在每一个阶段,我们都想找出一个能符合已发现的线索的解释我们所接受的各种推测性的理论,虽然说明了许多情况,但是还没有引申出符合于所有已知线索的一般解往往有一个理论看来似乎很圆满了,但是进一步来读它就发现它还是不适当的新的情况出现了,它们跟旧的理论是相互矛盾的,或者不能用旧的理论解释它们我们读得愈多,我们对这本书理解得就愈充分,虽然我们不断地往前迈进,但是圆满的解答却似乎不断地在向后退逃
    从柯南道尔写出动人的故事以来,几乎在所有的侦探小说里都是这样开始的:侦探首先搜集他所需要的至少也是他的问题的某一方面所需要的一切事件,这些事件往往是很奇怪的不连贯的,并且是毫不相关的可是这个大侦探知道这时不需要再继续侦察了,现在只要用纯粹的思维把所有搜集起来的事件连贯起来于是他拉拉小提琴,或者躺在安乐椅上抽抽烟,突然间,他灵机一动,这个关系找到了他现在不仅能解释现有的线索,而且他知道还有其他许多事件一定也已经发生因为现在他已十分准确地知道在哪里可以找到它,如果他愿意的话,他可以出去收集他的理论的进一步的证明
    如果我们再来说一句老生常谈的话,科学家读自然之书必须由他自己来寻找答案,他不能像某些无耐性的读者在读侦探小说时所常做的那样,翻到书末先去看最后的结局在这里,他既是读者,又是侦探,他得找寻和解释(哪怕是部分地)各个事件之间的联系即使是为了得到这个问题部分的解决,科学家也必须搜集漫无秩序地出现的事件,并且用创造性的想象力去理解和把它们连贯起来
    在下面的叙述中,我们的目的是用粗线条的轮廓说明物理学家的工作必须像侦探那样用纯粹的思维来进行我们主要是叙述思维和观念在大胆地探求客观世界的知识中所起的作用
  第一个线索
    人类自有思想以来,便想读这本奥妙的侦探故事但是直到300多年以前,科学家才开始懂得这个故事的语言从那个时代即从伽利略(Galileo)和牛顿(Newton)的时代起,这本书就读得快多了侦察技术有系统地寻求线索了解线索的方法都发展了某些自然之谜已经解决了,但是进一步研究之后,证明了其中有许多只是暂时的和表面上的解答
    有一个基本问题,几千年来都因为它太复杂而含糊不清,这就是运动的问题我们在自然界中所见到的所有各种运动,例如抛到空中的石子的运动,在海上航行的船舶的运动,在街上行驶的车子的运动,事实上都是很复杂的为了要了解这些现象,最好由最简单的例子着手,然后逐渐研究更复杂的例子设想有一个静止的物体,没有任何运动,要改变这样一个物体的位置,必须使它受力,如推它,提它,或由其他的物体如马蒸汽机作用于它我们的直觉认为运动是与推拉等动作相连系的多次的经验使我们进一步深信,要使一个物体运动得愈快,必须用更大的力推它结论好像是很自然的:对一个物体的作用愈强,它的速度就愈大一辆4匹马驾的车比一辆2匹马驾的车运动得快一些这样,直觉告诉我们,速率主要是跟作用有关
    凡是读过侦探小说的人都知道,一个错误的线索,往往把情节弄糊涂了,以至迟迟得不到解决凭直觉的推理方法是不可靠约,它导致了对运动的虚假观念,这个观念竟然保持了很多世纪亚里士多德(Aristotle)在整个欧洲享有至高无上的威望,可能是使人们长期相信这一个直觉观念的主要原因,二千年来一直被公认为是他所写的力学中,我们读到:  
    推一个物体的力不再去推它时,原来运动的物体便归于静止
    伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一,而且标志着物理学的真正开端这个发现告诉我们,根据直接观察所得出的直觉的结论不常常是可靠的,因为它们有时会引到错误的线索上去
    但是直觉错在哪里呢说一辆4匹马驾的车比一辆2匹马驾的车走得快些,难道还会有错吗
    让我们更加严格地来检查运动的基本论据,先从简单的日常的经验检查起,这些经验是人类开化以来就已熟悉了的,而且是在为了生存而作的剧烈的斗争中得来的
    假如有人推着一辆小车在平路上行走,然后突然停止推那辆小车,小车不会立刻静止,它还会继续运动一段很短的距离我们问:怎样才能增加这段距离呢这有许多办法,例如在车轮上涂油,把路修得很平滑等车轮转动得愈容易路愈平滑,车便可以继续运动得愈远但是在车轮上涂油和把路修平有什么作用呢只有一种作用:外部的影响减小了即车轮里以及车轮与路之间的那种所谓摩擦力的影响减小了这已经是对观察得到的现象的一种理论解释,实际上,这个解释还是武断的再往前检查一下,我们便将得到正确的线索假想路是绝对平滑的,而车轮也毫无摩擦,那么就没有什么东西阻止小车,而它就会永远运动下去这个结论是从一个理想实验中得来的,而这个实验实际上是永远无法做到的,因为不可能把所有的外界影响都消除掉这个理想实验指出了真正建立运动的力学基础的线索
    比较一下对待这个问题的两种方法,我们可以说,根据直觉的观念是这样的:作用愈大,速度便愈大因此速度本身表明着有没有外力作用于物体之上伽利略所发现的新线索是:一个物体,假如既没有人去推它拉它,也没有人用旁的方法去作用于它,或者简单些说,假如没有外力作用于它,此物体将均匀地运动,即沿一直线永远以同样速度运动下去因此,速度本身并不表明有没有外力作用于物体上伽利略这个正确的结论隔了一代以后由牛顿把它写成惯性定律这个定律,通常是我们在学校里开始学习物理学时牢记在心的第一条定律,我们有许多人还能记得它:
    任何物体,只要没有外力改变它的状态,便会永远保持静止或匀速直线运动的状态
    我们已经知道,这个惯性定律不能直接从实验得出,它只能根据思索和观察得出理想实验无论什么时候都是不能实现的,但它使我们对实际的实验有深刻的理解
    从我们周围各式各样的复杂运动中,我们选匀速直线运动作为第一个例子这是最简单的运动,因为没有外力作用于运动物体之上可是匀速直线运动是永远不能实现的,从塔上抛下石子,在平路上推动车子都决不能绝对匀速地运动,因为我们不能完全消除外力的影响
    在好的侦探故事中,一些最明显的线索往往引导到错误的猜疑上去在我们力图理解自然规律时,同样地,我们发现,一些最明显的直觉的解释往往也是错的
    人的思维创造出一直在改变的一个宇宙图景伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它这就是伽利略的发现的重要意义
    但是立刻又发生了对运动的新问题假如速度不是表征作用于物体上的外力,那么什么才是呢伽利略发现了这个根本问题的答案,而牛顿又把这个问题答复得更为精确,它成了我们侦察中的另一个线索
    为了得到一个正确的答案,我们必须更深入一些想想那绝对平滑的道路上的小车在我们的理想实验中,运动的均匀性是由于没有任何外力现在我们设想有人把这辆匀速地运动着的车子朝它的运动方向推一下这时会发生什么呢很明显,它的速率会增大同样很明显,如果朝相反于运动的方向推一下,则速率会减小在前面的例子中,车因被推而加速在后面的例子中,车因被推而减速由此可以立刻得出一个结论:外力的作用改变了速度因此速度本身不是推和拉的结果,而速度的改变才是它们的结果一个力究竟是使速度增加还是使速度减小,完全看它是朝着运动的方向而作用还是相反于运动的方向而作用伽利略清楚地看到了这一点,并且在他的著作两种新科学中写上了这样的话:  
    ……一个运动的物体假如有了某种速度以后,只要没有增加或减小速度的外部原因,便会始终保持这种速度--这个条件只有在水平的平面上才有可能,因为假如在沿斜面运动的情况里,朝下运动则已经有了加速的起因,而朝上运动,则已经有了减速的起因,由此可知,只有水平的平面上的运动才是不变的,因为假如速度是不变的,运动既不会减小或减弱,更不会消灭