9月21日下午，神舟十六號乘組航天員在夢天實驗艙為我們帶來了第四次“天宮課堂”。經過了前三次的經驗積累，本次除了繼續呈現利用疏水毛巾來打水球乒乓的趣味實驗外又有新的突破，航天員桂海潮用他親自準備的質量達到3千克的大陀螺為我們展示了經典的角動量守恒實驗，還第一次在空間站中做了有明火的球形火焰實驗。
在方格背景前做的小鋼球碰撞實驗，則是筆者最關注的實驗內容。一方面是因為這塊起到“坐標紙”作用的方格背景布是筆者在前期準備中建議加入的，這樣就可以通過格子給出的位置和視頻本身的時間，定量地確定兩個球準確的速度大小和方向，讓實驗從定性觀察能夠上升到定量測量的層次。同學們在通過實驗的神奇現象激發好奇心、培養想象力的同時，進一步開始嘗試深入定量探究、小心求證，在學習科學的道路上更上一個新臺階；另一方面則是碰撞實驗本身在物理學建立和發展過程中的重要基礎性作用，事實上，今天物理學中最基礎的動量、動能、力等概念，正是在對碰撞問題的研究基礎上建立起來的。
伽利略最早在研究打擊現象時，定性地提出了“應該考慮錘子的重量和速度對打擊效果的影響”；笛卡爾在《哲學原理》中針對碰撞問題提出“如果一個物體與另一個強于它的物體相碰撞，它并不失去任何運動；但如果它與一個較弱的物體碰撞，它就會失去與它傳給另一個物體相同的運動的量。”這里用物體的大小與速率的乘積來作為運動度量的方案，是動量概念的雛形，并且包含了守恒的觀念。當然，笛卡爾的這個方案并不是今天我們熟悉的動量，首先它是個沒有方向的標量；其次從笛卡爾的哲學體系來看，運動是一種神秘的力量在每一瞬間注入物體的，“運動的量”并非是對運動狀態的描述。
惠更斯在1669年用一個思想實驗考察同一個碰撞過程，分別從勻速行駛的船上和河岸兩個參考系，證明了笛卡爾“運動的量”守恒的提法嚴格說來并不準確，應該為“運動的量”引入方向，在形式上形成了今天我們熟悉的描述運動的物理量——動量。惠更斯還提出了多個物體碰撞時的共同重心保持勻速直線運動的定律，可以看做“系統的動量守恒定律”雛形。
惠更斯在碰撞問題的研究中其實還發現了另外一個守恒量，質量與速度平方的乘積。從今天的視角看，惠更斯從完全彈性碰撞中發現的這個守恒量其實是動能的前身，這個守恒關系其實就是完全彈性碰撞中的動能守恒。但當時惠更斯并沒有賦予這個守恒量一個明確的物理意義。
1686年，萊布尼茨掀起了一段著名的科學史公案——“活力之爭”。在笛卡爾的體系中，一種神秘力量賦予了物體運動，意味著運動就是“力”。而萊布尼茨指出運動應該是物體自己的性質，是物體位置的變化，和“力”是不同的東西。他通過對落體運動的分析，認為運動中守恒的不是“運動的量”而是“力”，并且提出這個“力”的度量是物質的多少與速度平方的乘積。因為這種力能夠在現實中產生對應的效果，如最終總能轉化為將一個重物抬高或降低一定的高度，萊布尼茨把這種“力”又叫做“活力”。
達朗貝爾在1743年發表《論動力學》終結了這段爭論。按照今天的觀點，“笛卡爾力”對應的動量是牛頓定義下的力在時間中累積的結果，萊布尼茨的“活力”對應的動能則是牛頓定義下的力在空間中累積的結果。兩個守恒關系分別對應著彈性碰撞中的動量守恒和動能守恒。
當1807年托馬斯·楊引入能量的概念、1829年科里奧利引入功的概念、1849—1851年開爾文勛爵引入術語動能、1853年蘭金引入勢能后，機械能守恒定律得以表述。在功與能概念完善的基礎上，經過以邁爾、焦耳、亥姆霍茲等為代表的大量科學家對永動機、熱功轉換，乃至化學、生理等方面大量過程的研究，進一步形成了更為廣泛的能量守恒定律，其應用范圍比動量守恒更廣。
在物理學建立早期，便在笛卡爾、萊布尼茨這樣頂尖睿智的頭腦中，“力”的概念依然較為含混，在他們的物理圖像中的“力”都是物體自身擁有的某種東西的量度，更接近從推車、負重時人體肌肉的緊張或體力的消耗中抽象出的那個自然語言中的“力量”的概念。而我們今天熟悉的物理學中的力，即牛頓第二定律定義下的力，表面上看只是把動量對時間的變化率定義為力，實際上代表相互作用的效果強弱，它與笛卡爾、萊布尼茨的物理圖像有著很大的不同。笛卡爾、萊布尼茨的“力”是物體自身擁有某種東西的量度，是屬于每一個物體自己的；而牛頓定義下的力則是物體之間相互作用強度的量度，相互作用自然是屬于兩個物體之間的，單獨一個物體并沒有力可言。
小小的碰撞背后，其實是物理學從奠基到發展的大道理。在欣賞實驗趣味的同時，朋友們也不妨了解背后的歷史和思想發展過程，從而更深刻地理解概念，體會其中的科學智慧。
（作者系北京交通大學物理科學與工程學院副教授）
