2.碰撞及其影响
可以提出其他的理论吗？例如，我们可以设想组成空气的粒子并非奔腾不息，而是静止在容器内，且粒子之间有排斥力。当容器体积增大时，粒子就会因为这种相互排斥而任意膨胀。
一种对我们真正有用的理论，必须满足两个检验条件。第一，它不可以利用未经实验验证的想法，不能仅仅为了应付某些特定的难题而引入特殊的假设。第二，该理论不仅要解释我们已经知道的所有事实，还必须能够预测我们以前不知道的、可以通过进一步实验加以证实的其他事实。
现在我们来考虑上述那种理论。“空气中的粒子相互排斥”，这一假设与我们已知的所有的事实并不能完全相符，而且很明显是被强行拿来应付一个特定的难题。众所周知，我们可以通过冷却和压缩来液化空气。也就是说，当空气分子彼此非常靠近的时候，它们会相互吸引并粘在一起。但是，如果距离较远时每个空气粒子就相互排斥，那么距离较近时，两个空气液滴也应该强烈地相互排斥。所以排斥理论不成立。
另外，气体分子运动论的基础是一些我们已经确证的东西，即运动物体的力学定律，特别是惯性定律和碰撞定律。
大多数人看到“力学”这个词会联想到车间和机器。然而在这里，我们关心的并不是车床和铣床的机械部件，而是起源于天文学的一个科学分支，该分支研究运动的物体及决定其运动的定律。不幸的是，地球上的物体太密集，有太多不可控的影响因素，因此很难以纯粹而简单的形式观察到它们遵从着某种运动定律。相反，人为地设计实验是必要的。读者可能还隐约记得枯燥的物理课堂上的那些实验，它们用到了单摆（图4）或者记录物体下落的仪器等。若有人认为自己已经听够了这些运动定律，他可以跳过本节后面的内容，不过依我看，他待会儿可能还要回到这里。
图4
然而，考虑到其他读者，我将简要地介绍最重要的力学定律。这些定律在伽利略时代就为人所熟知。伽利略是最早提出速度[5]、加速度、质量和力等概念的人，并通过举例清楚地说明其含义。而我将以熟悉的台球为例（图5）。
图5
真正证明力学价值的领域是牛顿创立的天体运动理论。可以说，在经受了天上的考验之后，力学又被带回到人间来解释地上的现象。
力学的第一条基本定律是惯性定律。惯性定律指出，任何不受其他物体干扰而自由运动的物体，都会保持它已有的运动状态。
显然，这样的表述很难通过地球上的实验加以验证。我们怎么可能把一个物体分离出来，使它不受任何外界干扰呢？哪怕在最理想的情况下，我们也摆脱不了地球自身的引力。然而，在台球的例子中，这个条件至少部分满足了：重力竖直向下，对球的水平运动没有影响；而且，除了球杆的作用，只剩下一点儿摩擦力和空气阻力。实际上，台球竞技就是惯性定律的一系列应用。击球使台球有了一定的速度，在击球后的一段时间内，台球仍然在以这个速度滚动。所有球类运动和许多其他例子中都有这种情况，例如，汽车并不会在关闭引擎的瞬间停下来。
然而，不同的物体具有不同的惯性。假设我们用轻的乒乓球取代台球中的母球。同样的力度，打在台球身上会使它缓慢地在绿色桌面上滚动很远的距离，打在乒乓球身上则会使它获得很大的速度并很快就消失在眼前：这样的乒乓球停下来所需的时间甚至比台球更短。这种行为差异所依赖的性质，我们称为球的“质量”。质量是一个人造的概念，我们用这个词表示“惯性的度量”，而非通常所说的“物质的数量”。台球的惯性比乒乓球的大，当受到同样力度的击打时，重球比轻球加速慢；但从另一角度来说，在摩擦力的作用下，重球能比轻球更持久地维持速度。
读者必须清晰地理解：“沉重”不代表“迟缓”。物体所受的重力竖直指向下方。如果我们分别把这两个球放在厨房弹簧秤的托盘上，由于它们重量不同，弹簧被压缩的程度也不同（图6）。然而，用球杆击球的时候，重力不会参与进来，因为重力在水平方向上没有影响。在这个例子中，由于运动的持续性或惯性，相同的击球力量导致了不同的结果。重量是重力的度量，质量是惯性的度量。
图6
我们可以通过下列实验来确定一个物体的质量。我们可以设置一种装置，从而给予每个球相同的推动力，比如设置一个锤头状的单摆，它在击中球之前总是从相同的高度下落（图7）。我们可以使用所有可能的球，实心的或空心的，材质可以是铅、黄铜、木头、塑料等，它们的大小和光滑程度都相同。我们会发现，它们获得的速度是不同的。我们说，如果一个球的质量是另一个球的两倍，那么它的速度就只有后者的一半，以此类推。
图7
幸运的是，我们没有必要做这样的实验（可以肯定地说，这种实验无法非常精确地进行）。因为牛顿提出了一个基本定理：重量等于质量。那么，重量和质量一定是取决于物质中相同的内在特性。
在真空中，所有物体以相同的速度下落，这个事实证明该定理是成立的。的确，更重的物体受到了更强的地球引力，但更大的惯性使它在一定程度上可以抵抗速度的变化。通过利用单摆或者类似装置做实验（图8），我们可以非常准确地测出这两种效应是彼此平衡的。在这里，重量是驱动力，惯性总是与它抗衡。结果表明，在给定的时间内，相同长度、不同重量的单摆摆动次数完全相同。
图8
“重量总是与质量成正比”所蕴含的深层意义不但没有引起伟大的牛顿的注意，而且在接下来的两个世纪里也没有引起人们的怀疑，直到20世纪才被爱因斯坦的引力理论重新揭示。然而，这超出了本书的范围。
我们总是交替使用“重量”和“质量”这两个词。至于它们的单位和数值，则必须加以区分。质量的（科学）单位是克（g），人们出于实用的目的，通过相当随意的方法选择了它。对于质量为1 g的物体，其重量是它被重力（加速）往下拉时所受的力。当一个物体自由下落时，它获得的加速度为981 cm/s2；质量为1 g的物体，重量为981 dyn[6]。换句话说，重量为1 dyn的物体，质量为1/981 g，或者大约是1/1000 g（1 mg）。
物体的质量与速度的乘积，我们称为物体的“动量”。如果一个台球与另一个台球相撞，它的部分动量就会转移到另一个台球上：动量以某种方式在两个球之间分配，但总动量保持不变。也就是说，双球系统的重心在碰撞前后维持不变，继续沿着一条直线运动。我们用一幅图（图9）来说明球的碰撞，这些画在胶卷上的图，显示了双球及其重心的一连串位置。
图9
像引力这样持续作用的力，我们可以把它设想为由许多微小的冲量组成。每一个冲量都对动量产生了细微的影响，但随着时间推移，这种影响变得越来越明显，我们就得到了一个运动定律：
动量随时间的变化率=力
这是牛顿运动定律的原始表述。我们之后会用到它，因为它很好地适应了由相对论引起的对力学的现代修正（第二章第6节）。然而，我们通常用另一种表述解释该定律。由于动量等于质量与速度的乘积，而速度随时间的变化率是加速度，我们可以写成：
质量×加速度=力
在这里，我们理所当然地认为质量是一个常量。但之后我们将看到，对于高速移动的物体，质量未必是常量（第二章第5节）。
对于受力物体，如果我们知道力与该物体相对于施力物体的位置之间的关系，就可以计算出它将如何运动。这是牛顿力学的基本思想，我们可以通过它计算出天体运行的轨道。天文学家成功地预测了行星的位置，这是力学定律最强有力的证明。把这些定律应用在气体分子的运动上，是不会出错的。但在此之前，我们必须先讨论另一个概念：能量。
在日常生活中，“能量”这个词有许多种用法，比如，我们用它形容一个人做出决定并付诸行动的能力。在科学领域中，“能量”是一个人造的概念，指的是做功的能力，可以用一个数字来表示。
把重1磅（lb）的物体举到1英尺（ft）高，做功的量我们称为1英尺磅（ft-lb）[7]。如果该物体由蒸汽起重机吊起，那么锅炉中就消耗了一定量的热量。热量也是储存功的一种形式，它能做一定量的功，也就是储存了一定量的能量。在发电站中，热能首先转换成电能。电能进入我们的房子，我们为电能付费，就像我们为其他商品付费一样。能量是一种不可能消失的存在，尽管它形式多变。
我们驾驶汽车上山的时候，首先要发动引擎使它快速运转，这样汽车就会往前冲，它的动量帮助它上山。哪怕在刚开始攀登的时候减小油门，汽车也会凭借其本身的动量以特定的方式前进。这种运动可以在抬升重物的过程中做功，因此，它也是能量的一种形式，我们称之为运动的能量或“动能”。
动能大小当然取决于物体的速度和质量，但它与动量不同。我们可以计算出不同物体做相同数量的功所需的起始速度，从而验证这一点。例如，我们可以射击一个靶子，让子弹嵌在靶中，这样子弹的动能就会转换成热能，因此可以间接地与举重物所做的功相比较。我们发现，子弹速度加倍与子弹质量变成4倍所产生的效果是一样的：大体来说，产生的热能与质量成正比，与速度的二次方成正比。质量（m）与速度（v）二次方的乘积的一半，我们称之为“动能”（E），即：
以前，物理学家认为这是能量最简单、最基本的形式，并试图用它表示所有其他形式的能量，方法是把这些能量看成隐含运动的动能。
在有关热能的问题上，这种方法非常适用，其结果就是气体分子运动论。这是我们现在要讨论的。然而对于其他形式的能量，尤其是电能和磁能，这种尝试一直没有取得很大的成功。今天的趋势是朝着相反的方向进行：我们把电磁形式的能量当成基本能量，动能可以从中推导出来。这一点我们之后会谈到。