第一章 引力，未知的力量
引力是什么
我们对引力最直接的体验就是落体运动——这种引力就是重力，即物体与地球之间的引力。引力是最容易被直接感受的一种力，也是幼儿学习站立时所要克服的力。或许，正是在与地球引力作斗争并最终站立起来的过程中，人类在某种程度上确立了自身的特性。也正是从引力实验开始，力的概念在现代科学中被建立起来。
然而，引力是四大基本力中最微弱的，我们能直接感受到它仅仅是环境造成的：因为我们紧邻一个无比庞大的物体——地球。如果不是身处这个特殊的环境中，我们可能会通过电场力来发现力这个概念。此外，我们也可以凭空想象一下，哪种类型的力能够捕捉到一个远离地球且处于失重状态的生命体？我猜想，这很可能是一种摩擦力，比如勺子搅动蜂蜜时感到的阻力。这种力的本质是什么呢？其本质上是一种电场力——由摩擦产生的电场力，而摩擦来自于移动物体的分子与周围环境分子之间具有电属性的结合力，就如同上面提到的勺子和蜂蜜。
现在是时候来阐述一下基本力的概念了。基本力又称基本相互作用，一种基本力可以用一个定律来描述，该定律在任何时候、对于任何空间点都适用；也就是说，在整个宇宙都适用。我们称这些力为基本力，是因为从严格意义上来说，基本力是在物质的基本组成成分之间起作用：电场力（库仑力）同样也是在两个基本电荷之间起作用，比如两个电子之间。
两个物体之间的力不全是基本力，而通常是多种基本力的组合。这些基本力在物体的基本组成成分之间起作用。所以，物体之间的力往往并不像基本力那样有基本定律可循，而是符合一些经验法则，而这些法则不够确切，也不像基本定律那样随时随地都适用。其中一个典型的例子就是摩擦力。假设我们在一个凹凸不平的地面上推箱子，阻碍箱子向前运动的摩擦力就是由多种基本库仑力构成的。这些基本库仑力存在于箱子的电子和地面的电子之间，使箱子的分子和地面的分子之间产生联系。因此，摩擦力的形成取决于多种条件：地面和箱子表面凹凸不平的程度、箱子相对于地面的速度、房间的温度，等等。所以，描述摩擦力的定律取决于多种参数，而且只能是经验性的。
相反，电场力是一种基本力。自19世纪末以来，人们将电和磁的力统一称为电磁力。引力也是另一种基本力。事实上，人们目前认定了四种基本力：除了以上提到的电磁力和引力之外，还有强核力（强相互作用），以及与某些物质的放射性相关的弱核力（弱相互作用）。我将在第四章详细讲述。
物理学家为何最终把引力视为基本力？简要回顾一下这段历史，引力的概念会呈现出别样的意义。而我也要借此引入一些将伴随大家阅读整本书的概念。 如果我同时松开一个铅球和一根羽毛，两者会以不同方式落下；如果我在水和油里重复这个实验，铅球的运动将会不一样，而羽毛则会浮起来。所以，环境对物体的运动具有很大影响，在空气中运动是一种情况，在水或油里运动是另一种情况。因此，亚里士多德推断，空间环境是运动的必要条件。所以，亚里士多德否定了“真空”的存在：在真空里，物体只能保持静止或永远运动下去，而这是荒谬的。事实上，亚里士多德学说区分了两种不同类型的运动：一类是自然运动，物体根据自身的自然本性选择更靠近空气还是土地，向上或向下运动；另一类是受迫运动，即物体在外力的作用下运动。每天晚上，恒星都会重新出现，看起来既不会下落也不会远离，所以恒星的运动属于一种特殊的运动模式——完美而永恒的天体圆周运动。在亚里士多德看来，神是宇宙演变首要、必须的恒定动力，让整个宇宙都运转起来。
人们习惯地认为，现代物理学起源于伽利略。从伽利略开始，人们才开始用实验来验证假设——既有实际操作的实验，也有思想的假想实验。我将会举几个例子，如果有些例子涉及很难实际验证的概念，那么，为了更明确地界定概念范围，我会运用思想实验进行验证。
伽利略与自由落体运动的普适性
通过观测落体运动，伽利略注意到，运动的短暂性给研究运动现象的实验造成了极大困难：物体从5米高的地方自由下落，运动时间才持续1秒钟。所以，他发明了一个简单的装置来延长运动的时间。伽利略让物体沿着一个斜板滑动：板子与水平面之间的角度越小，物体的运动速度越慢。当然，你也可以提出异议，说这是因为摩擦力增加了，所以物体的运动才变慢。但是，在好几种表面（糙面、釉面、蜡面、冰面等）进行尝试之后，基本可以排除摩擦力的作用。而且，我们还可以假设有一块理想的斜板，其表面上根本不存在摩擦力。伽利略从他的实验里总结出物体运动的普适性——对于所有物体都一样，而且物体呈加速运动时，位移的变化与时间的平方成正比，这是受恒力作用的物体的运动特点。
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