读书：引力质量与惯性质量

1915年，108年前，爱因斯坦在广义相对论里开门见山花了大量篇幅，用以区分清楚了引力质量（即“静止质量”）与惯性质量。不过，他用的是一种相反的方式。他论证了：惯性质量与引力质量之间引发的物理效应，是完全一样的。但绝大多数人都一直在混用引力质量与惯性质量，初高中物理课本，甚至在非相对论物理模块以外的大学物理课本，都不区分引力质量和惯性质量，在公式中直接使用M来表示两者项相等。但其实两者是不一样的。

这里需要说一个根本的原则：一切语言，哪怕是物理学概念，也是人们为了表达符合客观逻辑的事实指向，所编造出来的语言表达方式。下面的分析，就一直在使用这个原则。

【引力质量】，就是物体的静止质量，它是用来表达、衡量引力大小的一个名词。

物体高速运动时，引力质量（静止质量）是永远不会改变的，改变的只是所谓的【惯性质量】。也就是说，形成引力效应的质量，是不会改变的。

但是，其实根本没有什么惯性质量，只是通过惯性质量这个名词，来计算、代表改变高速运动物体所需要的能量，如果用质量来替代的话，这个质量的数字有多大。这就是人们用【惯性质量】这个物理名词的根本目的，也是在物理学公式中为了推导而达到的根本目的，而并不是先就存在着一个什么真实客观的“惯性质量”。它是人们编造出来、符合人类物理公式的逻辑推理需要的一个语言表达而已。

爱因斯坦在广义相对论中论述引力质量引发的效应，与惯性质量引发的效应，它们之间是完全等价的。这就是广义相对论的相对性原理。它扩展了狭义相对论里面的第一相对性原理：一切物理规则在所有参考系中都是等价的。

那么爱因斯坦广义相对性原理到底说了什么呢？它其实揭破了一个石破天惊的事实。

爱因斯坦设想了一个思想实验：一个人在一个电梯里，电梯正以与地球引力加速度g相同的加速度向上运动。那么，这个人他完全无法区分出来，到底自己是静止在地面上呢，还是在以加速为g作向上运动。所以，他得到一个结论：引力质量形成的物理效应，与惯性质量形成的物理效应，是完全等价的！这是石破天惊的第一步。

爱因斯坦接着做了第二步：观察加速上行的电梯中，这个人手持电筒，向前照射出一束光。在电梯里的人看来，这束光是笔直向前的一条直线。让我们转到地面观察者来看一看，情况有什么变化。如果这个人向前笔直丢出一块石头时，在地面的人看来，那块石头走过的路径，是向电梯地板方向弯曲的。手电筒的光，是由光子组成的光束，可以被看成是一群发光的小粒子笔直向前跑，这与前面笔直向前的石头是一样的。那么，在地面的人看来，这一束光走过的路径，它自然也必须弯向电梯的地板！于是，爱因斯坦得到了一个观察加速系中惯性质量导致的效应：光是弯向加速度矢量的反方向的！于是，结合前面第一步引力质量效应等于引力质量效应的石破天惊结论，爱因斯坦得到了第二个石破天惊的结论：在引力质量作用下，光也必然是向质量体加速度矢量的反方向弯曲的！也就是大白话说：光一定是向地面弯曲的！

这样，如果不用数学公式，爱因斯坦就直接得到了这个结果：

光不是走的直线，而是会向质量体弯曲的曲线！这个结论究竟是什么意思？它意味着：我们的空间，在具有静止质量的物体附近，是弯曲的！而绝对不是平坦的！

那么，这个弯曲的空间，到底该用数学是怎么计算的呢？这就要说到黎曼几何了。在欧几里得的平面几何里面，用得最多的一个词语，就是直线。一切都是直线来形成的。而黎曼几何不是平面几何，它描述的是扭曲的空间。在这个几何体系里面，也得找到一个与平面几何体系中的【直线】一模一样的词语，以便于用来描述或者构建扭曲空间的形状。这个词语，叫做【测地线】，如同直线的定义一样，它就是指在曲面空间里的最短距离。只不过，它的本质，实际上是【转换观察者的视角】后，得到的【直线】数值。而且使用的坐标系统，不再是平面直角坐标系统，而是非欧几里得的黎曼几何的坐标系统。它的数值表达形式，叫做【度规张量】。

比如，如果人在电梯里看手电筒的光，是直线。那么换到地面去观察，光走了一条曲线，那么现站在地面观察者得到的这条曲面，就得用黎曼几何对电梯里面的直线路径的数据进行坐标转换，这样得到的弯曲路径的数据。这个数据，就叫做度规张量。现在我们知道了，其实，度规张量，就是一种观察者视角变换后的坐标数据，欧几里得空间中的曲线，同样也可以得到度规张量。

爱因斯坦用黎曼几何这个数学工具，才计算得到了广义相对论的结论。从理解物理学的角度看，其实这就是广义相对论的全部本质，它的结论就是：

空间-时间，都是根据物体的本身（引力质量）和物体的运动（惯性质量）不同，会产生不同的变化和扭曲。
如果你观察自己，以及一切与自己相对静止的物体时，你会发现自己生活在欧几里得空间里面，所有的物体运动，都可以看做是平面平坦的物理规则。
如果你观察相对于你快速运动的物体时，你体会到的时间-空间，与那个物体体会到的时间-空间，是有差别的、不一致的。

以上三个结论，其实在所有外面的相对论介绍中，都能看得到。但是咱们下面会有点不同的东西。所以，OK，到底相对论说了一个什么？开饭了！现在需要开脑洞了。

仔细体会一下：我们认为的世界，物体是实实在在的，大家都在相同的、统一的、平坦的时间空间里一起生活、存在。但是！爱因斯坦用数学的计算、逻辑的分析、物理的实证告诉我们：对不起！所有的物体、空间、时间，它们统统都是根据你自己质量大小（引力质量）和运动状态（惯性质量）而随时决定和改变着的！OMG！好好想一想，这意味着什么？所有的东西，它们不但会变化消失掉，而且，它们自己在当下！对！在当下！它们是当下就是可以随意变化扭曲掉的！

这世界，是一个遵从规则的梦境。一切都是梦境中的东西，所以它们会变化。但是，这个梦境，它们全部遵从数学规则，遵从因果关系。其实，数学，就是因果关系！它们是一个有秩序的梦境！

最后，有没有规则，不重要，重要的是——这个世界的本质，是一个梦！

快点醒过来吧，去到彼岸！