时空观的发展

1 平面时空观

在远古时代，人类的活动范围很小，认识也极其有限，只知道上有天，下有地，平平的地面向四周延伸，大地是平直的概念也就从经验中产生了。一个容器，最切身的体验是居住的房间，上有顶，下有地，周有壁，于是又构成了头脑中的上下四周的“空间”概念。高山从平地升起，地窑在平地向下，可见空间是可以上下延伸的。在房间里或天地间，既可以向前走，也可以向后走，既可以向左走，也可以向右走。即平面上的方向是相对的，哪一个方向都是可以随意运动，无限延伸的，但上下的方向却有些特殊。高处的东西可以下落，直至掉进井底，而井底的东西却不能反“掉”上来，因此“空间”的上下是不可颠倒的。为了比较空间的大小，古人需要创造空间的测量方法。由于没有公认的标准长度作单位，所以测量的结果不一致。在古代，有些部落用首领的脚长作单位，有些则用臂长作单位，首领换了单位也就不同了。相同的物体测量的结果不一样引起了不少的混乱。后来长度单位逐渐统一了，因此相同物体就有了相同的测量结果。在致力于消除测量混乱中，古人是基于一个最基本的概念，这就是客观物体的长度是固定不变的，否则统一单位就没有意义。这是人类对空间概念认识的第一个历程。一切自然现象都在运动和变化之中，“过程”的流逝是一切自然现象和人类活动的基本特征。盘古开天，耶酥创世，都代表记时的开始。人类从“过程”的流逝中又抽象出时间概念。古人很早就注意到，一切周期变化的过程都可以用来作为时间的测量单位。古人观察到的最简单的周期变化有日出日落、月圆月缺、四季变化。于是记时单位——日、月、年产生了。古人从泉水滴漏中得到了启示，于是又创造了滴漏计时器。时间的计时单位一下子缩短到了一滴水滴下的过程，这就有点接近今天的分与秒了。古人对事物具体“过程”的长短也认为是固定不变的。古人在日常经验中看不出“时间”与物体“运动状态”有什么联系。古人对时间的认识还有另一个重要特点，那就是时间的单向性。人死不能复生，这表明事物在发展演变中，其过程都是不可逆反的。过程的不可逆，带来了时间认识上的单向性。时间的发展方向总是从过去流向未来的。空间的上下不等价，时间的前后不等价，长度、时间间隔的不变性，这就是人类远古平面时空观。

2 球对称时空观

两千多年前，亚里士多德和托勒密建立了“地球中心说”。他们认为宇宙是有限的球体，地球静止地居于中心；日、月、星辰都围绕着地球运转；月亮、太阳、行星和恒星分别处在不同的球壳上；它们都作完美的圆周运动。在亚里士多德的理论体系中，人类生活的大地不是平板式的，而是圆球形的。这是时空观的第一次大革命。人类生活的大地不是平面，而是球面，在球体上，上与下的概念就变得不是绝对而是相对的了。在球体的一边认为是朝上的方向，而在球体的另一边则被看作是向下的方向。上与下的空间概念，一下子由唯一的180°的直线方向转而变成了360°的任意方向。上与下是相对的，空间的各个方向是等价的，没有哪一个方向具有特别的优越性，这就是空间方向的相对性。空间方向由绝对到相对，人类在认识时空上朝科学时空观迈出了关键的一步。亚里士多德空间虽然方向是相对的，但空间的不同点却有着不同的特性，这与平面时空观有相通之处。亚里士多德球面时空观仍然保留着空间位置的绝对性。在地球中心说中，物体在宇宙中的位置具有关键的作用。地球的球心就是宇宙的中心，每个物体在运动中只要没有阻挡，都力图达到各自的天然位置。物体之所以运动是因为它们没有达到自己的天然位置。地球附近的物体天然位置是地球的球心。亚里士多德说这是落体运动的真正原因。这样，在亚里士多德的时空观里，地球球心的位置就是非常特殊的。在支配万物运动的自然规律中，这个点具有决定性的作用。这就是空间点的绝对性。这样亚里士多德空间虽然具有各向同性的性质，但空间各点的位置并不等价。亚里士多德的理论基本上是一个定性的理论，几乎没有定量的物理定律，因此该理论对时间的理解并没有显著突破，时间仍是过程流逝的伴随物，一切过程的时间测量也与坐标系的选取无关，时间是绝对的，而且具有单向性。总之与远古平面时空观相比，亚氏时空观消除了空间方向上的绝对性，而保留了其它绝对性。

3 绝对时空观

16世纪以前，亚里士多德时空观统治了近一千九百年之久，亚里士多德的学说成了科学进步的严重障碍。直到16 世纪，哥白尼创立了“日心说”，认为太阳居于行星系的中心，地球和其它行星绕着太阳运转，“地心说”从此开始动摇。此后，布鲁诺、伽利略、牛顿又为“日心说”奋斗了许多年。以哥白尼-伽利略-牛顿为代表的新科学，否定了地球中心的特殊地位。牛顿的引力定律表明，苹果可以落到地球上，月球也可以落到地球上，苹果落地和月亮绕地球运行是同一个原因引起的。地球的球心同月球的球心一样，在空间不断地变动着。伽利略则更明确地指出，物理定律的形式与相互匀速运动的坐标系的选择无关。牛顿力学中没有地球的中心地位，任何空间点都是平权的。相对于任何时空点来计算，物理规律都是一样的，空间被看作脱离物质并且供万物表演的舞台。牛顿力学时空观消除了时空点的不平权性。然而，时空点平权了，但却带来了时空的绝对均匀、平直性。像抽象空间一样，牛顿把时间也从物质演变过程中抽象出来，变成既脱离空间，也脱离物质的任意流逝的客观物。在牛顿第二定律中给定初始条件，既可知道物体的过去、现在和未来。时间没有起点，于是时间的单向性也由相对性取代了。不过牛顿力学的时间可逆性，并不意味着牛顿力学体系中人可以死而复生，而是意味着时间的前后是无穷的。牛顿力学的时空观与亚里士多德时空观相比，虽然减少了绝对性，增加了相对性，但同样也还保留有绝对性。牛顿认为: “绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关。始终保持着相似和不变”；“绝对的、纯粹的数学的时间，就其本性来说均匀地流逝，而与任何外在的情况无关”；“相对空间是绝对空间的可动部分或者量度。感官通过绝对空间对物体位置进行确定，并且通常把它当作不动的空间看待。如相对地球而言的地下、大气或天体等空间都是这样来确定的”；“相对的、表观的和通常的时间，是期间的一种可感觉的、外部的，或者是精确的，或者是变化着的量度。人们通常就用这种量度，如小时、日、月、年，代表真正的时间”。牛顿的绝对时空概念，只是牛顿对时空的一种数学抽象，这从“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着”可以十分明显地看出。其中“数学”二字表明牛顿怕别人误解而特意指明绝对时间是一种数学的抽象。

从牛顿力学的基本定律和概念出发，就一定要求有一个相对的实际可用的时空概念。物体的位置移动，就要求空间“空”；物体的静止，就要求空间保持相对的“不动”；物体的匀速运动，就要求空间“平直”、“均匀”；而且还要求时间相对的均匀，没有太明显的快慢节奏。反过来，只有相对时间和空间概念才能保证牛顿力学规律的有效性和可操作性。在牛顿的力学定律的表达里没有明确指明，所谓“静止”、“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的，只要具体情况具体指定就可以。在牛顿力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体有关的，运动状态及其改变的参考物体就是原参考物体。牛顿完全了解自己理论中存在有一些薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对或相对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态。

牛顿承认区分特定物体的绝对运动和相对运动也非易事。不过，牛顿是一个经验论者，他不能容忍在他的体系中存在先验的观念。他认为，物理的实在必须是能被感知的。因此，牛顿设计了一个理想实验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动，这就是著名的水桶实验。 牛顿曾经认为绝对空间在恒星所在的遥远地方，或许在它们之外更遥远的地方。他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间。空间可以脱离物质的运动，时间也可以脱离物质的运动，空间与时间也无关系。因此，时空舞台中的空间距离和时间间隔都是绝对的。即长度和时间与坐标系的选择无关，物理定律在相对匀速运动的坐标系中形式不变。

4 相对论时空观

以绝对空间作为度量运动的参照系，或者以其它绝对匀速运动的物体为参照物，惯性定律才成立。即不受外力作用的物体，或者总保持静止，或者总保持匀速运动。这一类特殊的参照系，被称为惯性参照系。任何两个不同的惯性参照系的空间和时间量之间满足伽利略变换。在这种变换下，位置、速度是相对的，即相对于不同参照系的数值是不同的：长度、时间间隔是绝对的，即相对于不同参照系其数值是不变的，同时性也是绝对的。相对于某一惯性参照系同时发生的两个事件，相对于其它的惯性参照系也必定是同时的。另外，牛顿力学规律在伽利略变换下保持形式不变，这一点符合伽利略相对性原理的要求。正是这个相对性原理，构成了对牛顿的绝对空间概念怀疑的起点。如果存在绝对空间，则物体相对于这个绝对空间的运动就应当是可以测量的，这相当于要求在某些运动定律中含有绝对速度。然而，相对性原理要求物体的运动规律中必定不含有绝对速度，亦即绝对速度在原则上是无法测定的。莱布尼兹、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，指出过没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。到了19世纪末，奥地利物理学家马赫分析了牛顿力学的基本概念以及由其反映的机械自然观，不同意把惯性看成是物体固有的性质，认为在一个孤立的空间里谈论物体的惯性是毫无意义的，提出惯性来源于宇宙间物质的相互作用。

爱因斯坦认为牛顿的时空观有局限性，牛顿绝对时空的观念通常是宇宙中任何事件都发生在空间的某一点、时间的某一时刻，而那时刻到处是一样的。爱因斯坦认为存在是四维的，是在合并三维空间和一维时间的混合的四维时空中的存在，而不是一个三维存在再加上它在时间上的演化。爱因斯坦的光速绝对性原理迫使空间和时间相混合。根据爱因斯坦的理论，四维时空连续统一体中的任何物体都和相互间紧密连接在一起的维共存。

爱因斯坦相对论时空观的主要内容如下：

1．相对性原理：狭义与广义相对论认为物质在“时空谱”中的运动规律对惯性系和非惯性系的运动形式是一样的。

2. 利用迈克尔逊光速不变试验，提出在相对性原理中“光速不变性”绝对性原理，受闵可夫斯基四维统一时空的影响，提出时空合并混合统一的绝对时空谱。其中提出“质量与能量等效性”原理。

3. 由于以上“时空谱”观念的提出，相对性原理与光速不变性两条原理发现牛顿时空谱所提出的牛顿运动三大定律与万有引力定律存在缺陷。因此，出现爱因斯坦提出的空间收缩与时间膨胀问题，爱因斯坦强调“同时性”是相对的。

4. 爱因斯坦发表的狭义相对论，说明时空的本质可以通过它的度规结构来理解。度规是一个抽象的基本概念。它是与宇宙的几何结构联系在一起的。这种度规结构与任何观测者无关。这样的性质满足相对论的需求，可以确保物理定律的成立与速度和位置无关。1907年，爱因斯坦提出等效原理，认为引力和加速度是等效的。时间和光线的轨迹都要被引力弯曲。时空弯曲的程度，是由宇宙中物质的分布决定的。一个区域内的物质密度越大，时空的曲率也就越大。这样太阳附近的时空就要比地球附近弯曲得厉害，因为太阳的质量要大得多。广义相对论的宇宙中，引力已不再像以前所理解的那样是一种力，它已经被转化到时空的几何(曲率)中去了。用他的观念来看，引力产生于从狭义相对论的平直空间到广义相对论的弯曲空间的转换之中。

5. 为了提出引力场方程，爱因斯坦提出把加速度与引力等效性原理深入发展到“引力与时空弯曲(曲率)”等效性和“时空曲率与潮汐力(沿测地线)”等效性，即潮汐力与引力，引力与时空曲率等效性综合在一起。利用当时发现的黎曼几何(流形)结构和张量计算。时空被认为是一张平展的橡胶软垫，大质量的物体放上去，会使橡胶软垫发生局部变形，变形的程度取决于物体的质量。行星可以用大小不等的球来代表，这些球在橡胶软垫上围绕太阳滚动，球滚动的路径也就是行星的轨迹(测地线)。它们都位于太阳附近的深“阱”之中。从树上掉下来的苹果，不是被一个力拉向地球，而是由于曲率变化使它滚进地球所造成的局部时空的“阱”里面罢了。因此，在所有的惯性参照系下，牛顿的引力定律都是相同的。利用爱因斯坦场方程、时空弯曲(曲率)定律：粒子沿时空的测地线运动，它们被推进或拉开的速率正比于它们之间方向上的曲率大小。虽然，在不同方向参照系中你测量的质量密度也将不同于我测量的质量密度。同样，你测量的三个时空曲率之和也将不同于我所测量的曲率之和。然而，测量的曲率之和正比于所测量的质量密度加上测量的压力3 倍。在这个意义上，爱因斯坦场方程在每个参照系中都是一样的，它服从爱因斯坦的相对性原理。因为相对性原理，高速运行的物体永远无法光速，就会产生空间收缩和时间膨胀，进一步与引力问题结合而得到爱因斯坦场方程，并通过数学计算，解释了光线被太阳偏移和行星的轨道运动。而且爱因斯坦还预言了黑洞、引力波、时空奇点的存在。

5 时空观分析

牛顿提出了牛顿第二定律，并定义了惯性质量——就是物体改变运动状态难易程度的物理量。即质量越大，越难改变其运动状态；质量越小，越容易改变其运动状态。在牛顿发现万有引力后，定义了引力质量——就是物体互相之间吸引力大小的物理量。即质量越大吸引力越大，质量越小吸引力越小。这种吸引力产生了重力和重力加速度。引力由引力场产生，引力质量产生引力场，由于引力场在空间上并不均匀，因此会产生引力差，而这就是产生潮汐力的原因。

惯性质量需要通过动量变化才能测得，静止物体无法测出惯性质量。但即使静止，引力质量也可以通过重力与重力加速度测得。然而，通过实验发现，引力质量和惯性质量成正比例关系。虽然这两种质量描述的角度不同，一个是产生吸引力的能力，一个是保持运动状态的能力，但如果两者的比例对一切物体相同，那么就可把它们当做同一个量来对待，因为选取一个合适的单位，就可以令比例常数为1，即引力质量与惯性质量相等。这说明在引力场中的物体加速度与其质量无关，只与引力场有关。因为物体在引力场中，受到的吸引力就是它所受的外力，结合万有引力与牛顿第二定律，物体的引力质量与惯性质量相互抵消，就只剩下了与引力场有关的加速度。这可以理解为，物体的引力质量越大，等效的惯性质量就越大，而惯性质量代表着对加速度的“抗性”，所以无论物体的引力质量多大，其相关的加速度，都会被“抗性”抵消，最终在引力场中保持重力加速度恒定。

而从受力角度来看，物体在引力场中产生的万有引力来自两个部分：一个是物体的引力质量（m），另一个是产生引力场的引力质量（M）。但物体的引力质量被其自身的惯性质量抵消，所以物体的加速度只与产生引力场的引力质量（M）有关。可见，引力场能够让一切物体的加速度相同，也就是引力质量与惯性质量相等。

运动是相对的，所以需要参照物，参照物可以是一个物体，也可以是一个区域，还可以是相对运动物体的内部区域，最主要的是可以在参照物上建立坐标系，所以参照物又称为参考系。参考系分惯性系与非惯性系。惯性系是符合惯性定律的参考系，即物体在其中维持其惯性状态（静止或匀速运动）。非惯性系是不合符惯性定律的参考系，即物体在其中处于加速运动状态，相对于惯性系，可称之为加速度参考系。

处于一个参考系的内部，如何确定这个参考系是否有加速度，也就是如何确定所在的参考系是惯性系还是非惯性系。最有效的办法就是通过实验验证参考系中物体的运动是否符合惯性定律。而这就是在局部视角中，判断惯性系与非惯性系的关键。

非惯性系中的物体运动不符合惯性定律，即有加速度。然而，根据牛顿第二定律，有加速度必然就会受力，但在局部视角中，这个力无法被找到，只能看到加速度真实存在。然而，从全局视角来看，非惯性系中的物体相对非惯性系有加速度，非惯性系相对惯性系有加速度，这两个加速度大小相同、方向相反。非惯性系中的物体加速度 “抵消”了非惯性系的加速度，令其在惯性系中保持惯性状态。所以，非惯性系中的物体加速度是源于物体的惯性。在惯性系中，非惯性系中的物体惯性质量是对自身加速度的“抗性”。因此，非惯性系中的物体加速度的施力源是惯性质量，而这个力就称之为惯性力。并且惯性力与惯性质量成正比，非惯性系中的物体的加速度始终与非惯性系本身的加速度大小相等，那么惯性质量越大，物体的惯性力就会越大。显然，惯性力是一种假想的不存在的力，因为在宏观上，惯性力不是由相互作用产生的，而是惯性质量本身的惯性性质。但惯性力的效果是真实的存在，其代表着阻止惯性质量运动状态改变的“力”。可见，惯性力需要在非惯性系才能体现出来，即：在非惯性系需要引入惯性力才能应用牛顿第二定律，否则加速度找不到施力源。而事实上，非惯性系自身的受力与加速度才是真实发生的，物体在非惯性系中的惯性力与加速度，都是相对的。因为从全局来看，物体在非惯性系中是处在惯性状态的。

在引力质量等效于惯性质量的视角之上，爱因斯坦提出了弱等效原理——就是在局域的引力与惯性力无法区分。这里隐含的一个概念就是引力在距离远近上并不均匀，而惯性力则是均匀的，但在无穷小的时空范围内，引力的不均匀可以近似等于均匀。与之对应的一个思想实验就是在引力场中静止的飞船，飞船内物体会受到引力，在太空中加速的飞船内的物体会受到惯性力，而通过适当调整飞船的加速度，就可以让惯性力等于引力。于是在飞船之中，通过力学实验，就无法区分物体受到的是引力还是惯性力，也无法区分此时飞船是在引力场中静止，还是在太空中加速。所以，弱等效原理，也可以描述为在局域的引力场与加速场无法区分力学效应。当然，在非局域的引力场不均匀有潮汐力，而加速场均匀，是可以通过力学实验区分的。

更进一步的一个思想实验，就是在引力场中，飞船做自由落体运动，此时飞船中物体会受到向下的引力，同时飞船是一个向下加速的非惯性系，这个非惯性系中的物体会受到一个向上的惯性力，并且这个惯性力与引力相等。于是，物体的引力与惯性力抵消，处于失重状态。而在另一个场景里，飞船悬浮在太空之中，构成了一个惯性系，飞船中的物体同样也处在失重状态。结果在飞船之中，就无法区分飞船是在引力场中自由下落还是在太空中悬浮。

可见，局域的引力场可以用一个加速场抵消，加速场即是非惯性系，其会产生与加速反向的惯性力，从而抵消掉引力场的引力。在引力场中自由落体的参考系，就是一个加速场，也是一个非惯性系。引力场与自由落体的加速场互相抵消，所以物体相当于位于惯性系。那么，弱等效原理还可以描述为局域引力场与惯性场无法区分力学效应。也就是说，在引力场中，通过选取一个合适的参考系——自由落体的非惯性系，就可以抵消引力，令引力场局域等效于惯性系。

引力场也可以看成是一个非惯性系。那么，引力场中的自由落体也就可以等效为非惯性系中的自由落体。在非惯性系，受惯性力自由落体的物体，从全局来看，其必然是处在惯性状态的。因为物体的加速运动是相对于非惯性系的，而只有非惯性系自身才具有真正的加速运动。因此，弱等效原理又可以描述为局域的非惯性系与惯性系无法区分力学效应。也就是说，在非惯性系中，通过选取一个合适的参考系，就可以让两个惯性力相互抵消，令非惯性系局域等效于惯性系。

更进一步，爱因斯坦提出强等效原理，就是局域的引力场与惯性场无法区分物理学效应。可等价描述为局域引力场与加速场无法区分物理学效应，或局域非惯性系与惯性系无法区分物理学效应。

强弱等效原理的区别在于：弱等效原理是引力与惯性力在无穷小时空等效，被引力质量与惯性质量等效试验所直接证实。强等效原理是引力场与惯性场在无穷小时空等效，不仅仅是力，而是参考系内的一切物理规律等效。由此可见，弱等效原理不能代表时空等效，而强等效原理则可以代表在无穷小处的时空等效。而无穷小的时空如果等效，那么由无穷小时空组成的全局时空也就等效了。因此，时空中任何非惯性系都可以拆分为无穷小的惯性系。这样，一切坐标系都是平权的。应该在任意坐标系下均有效，且应是协变的，这就是广义协变性原理，也称广义相对性原理。

从强等效原理得出引力场可以由多个局部惯性系组合起来等效描述。这在数学上，就是对局部惯性系应用狭义相对论计算，然后做积分的结果等同于在非惯性系，应用广相计算的结果。同理，多个局部惯性力组合起来，也就可以等效于全局引力。因为，通过切换参考系，以产生惯性力的物体本身建立坐标系，那么局部非惯性系，就转变成了局部惯性系。此时，这个局部惯性系，就成为了一个质点，没有惯性力，没有加速度，只有瞬时速度。

事实上，强等效原理的重要意义在于：在引力场中，通过选取合适的加速参考系，就可以抵消引力，从而让引力在局域消失。此时可以认为引力根本就不存在，引力场是时空几何结构弯曲的产物，物体的自由落体运动，其实就是在时空弯曲结构中，沿着测地线不受力的自由运动，而这就是处在四维时空的惯性系。如此可见，在四维时空，引力就是弯曲，直线就是曲线。那么，只受引力的物体的匀加速直线运动就相当于在平直时空内不受力的匀速直线运动。那么，从时空弯曲的角度来看，在无穷小的时空范围内，时空曲率为0，也就是引力不存在。每个时空质点都不存在引力，而时空质点构成的几何结构，最终就涌现出引力的宏观表现。于是，爱因斯坦在强等效原理之上，构建了广义相对论，其核心就是物质决定时空如何弯曲，时空决定物质如何运动。而引力质量越大，时空弯曲程度越强，形成的引力场就越强，引力也就越大。最后，引力决定了宏观物质的运动。由此可见，引力质量就变成了时空弯曲程度的度量。

引力质量和惯性质量是同一个本质原因所产生的不同角度的宏观表现，因此这个相同本质产生的时空影响是等效的。所以，等效的惯性质量也会有时空弯曲效应。这可以理解成，运动加速度越大，惯性质量就越大，等效的引力质量就越大。当处在有加速度状态的物体，改变其运动状态更难，这是相当于增加了惯性质量。因为物体有加速度即有外力，此时改变其运动状态就需要同时克服惯性力与外力，这相当于抵达同样的加速度，相当于增加了惯性质量。

事实上，在狭义相对论中，只有惯性质量，并没有引力质量，但惯性质量等效于引力质量，广义相对论消除了质量的前缀“引力”与“惯性”，只剩下一个“质量”，并重新定义惯性系，令其组成了非惯性系，于是狭义相对论通过局域连接到了全域，这相当于把引力和惯性力都转移到了时空弯曲上，而时空弯曲源于无差别的质量。

需要指出的是，爱因斯坦只提出过等效原理，强弱等效原理是后来的区分。因为显然，弱等效原理已经被直接验证了，但强等效原理一直都无法被直接验证。原因就在于，弱等效原理验证力等效比较容易，但是强等效原理验证一切物理规律等效很难设计。但强等效原理是广义相对论的基础，随着广义相对论不断的被验证正确，这反而支撑了强等效原理的正确性。

现在，需要明确质量、力、加速度这三个量的关系。首先，有力才有加速度，即力决定了加速度。其次，质量越大引力就越大，没有质量就没有引力，即质量决定了引力。引力质量和惯性质量都需要通过力来测量，即通过引力去测量引力质量，通过改变运动状态的力去测量惯性质量。但实际上，引力质量度量了引力的大小，惯性质量度量了惯性力的大小。也就是说，质量其实度量了力。这样看来，质量弯曲了时空，也可以认为是质量度量的力弯曲了时空。

然而，虽然引力等效于惯性力，重力加速度等效于运动加速度，但引力场并不等效于加速场。因为，引力场是不均匀的，引力各处不同；加速场是均匀的，惯性力处处相同。引力场与加速场体现的是力场在空间中的分布，而力场在质点上表现出的相互作用就是引力与惯性力。可见，质量所度量的力，其实是力场相互作用的合力。这样，时间和空间都依附于物质的变化，并构成了紧密联系不可分割的时空。那么，物质与时空也就是不可分割的整体，不会存在没有物质的时空，或是没有时空的物质。因此，物质变化就必然会同时体现在质量和时空之上。也就是说，质量刻画了物质变化的一个侧面，时空刻画了物质变化的另一个侧面，而两者则刻画的是同一个物质本质。于是，物质变化不仅带来了力，也同时让质量与时空一起变化。所以，质量可以度量时空变化，即时空弯曲率，也可以度量物质变化带来的相互作用，即引力与惯性力。可见，引力、惯性力、时空变化都是物质变化，而这种变化是通过质量体现。

引力质量等效惯性质量是因为两者背后对应了同一个微观的物质变化，然后产生了不同的宏观表现。而引力和惯性力只是一种宏观力，在微观的物质变化，还会产生其它的微观力，并且微观力也会有相应的质量体现。因此，想要理解质量的真正本质，而不是它度量了什么，就需要搞清楚物质的微观组成。

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