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物理學的春天，從比薩斜塔出發
動力學討論的，是物體的運動狀態，以及引起或改變運動狀態的力的作用。
大家最熟悉的動力學現象，可能是地球的重力引起的物體運動，不管是蘋果從樹上掉下來，網球在球場上飛來飛去，或者（在近代）人造衛星和太空船在太空中翱翔，都是這一類的問題。最早仔細研究落體現象的科學家，就是鼎鼎大名的義大利人伽利略，他是比薩大學的教授。
圖1-1 伽利略的實驗
伽利略所做的第一個自由落體實驗，推翻了當時一般人對自由落體的普遍想法；當時的人，連科學家在內，都認為重的東西應該掉落得比輕的東西快。根據當時的傳說，伽利略帶了兩顆球，一顆是鐵球，另一顆是木球，跑到著名的比薩斜塔上，讓兩顆球同時從塔頂上掉落下來（圖1-1）。儘管兩顆球的重量相差了很多，卻幾乎同時一起碰到地面。
就憑這個簡單的實驗，伽利略證明了一件很重要的事實：不管重量如何，所有物體自由墜落的速度是一樣的。
在現實生活裡，我們或許會看到在同一根樹枝上，樹葉與果實同時掉落時，果實總是先落地，樹葉卻在空中飄動好一陣子。難道不是輕的東西落得比較慢嗎？
在標準的實驗課堂裡，我們可以進行類似的自由落體實驗，就是用兩根很長的玻璃管，一根裡面放硬幣，另一根裡面放羽毛。把管子封起來之後，抽掉裡面的空氣，再把管子上下顛倒，這時候我們就會看到，羽毛掉落得和硬幣一樣快。
我們也可以把這個實驗簡化：拿一張紙鈔和一枚硬幣，讓它們從相等的高度同時落下來，紙鈔當然飄落得比較慢；但如果我們把紙鈔揉成一個小球，那麼它和硬幣將會幾乎同時落地。
伽利略先把重力「稀釋」
在伽利略的時代，並沒有高速攝影技術，甚至連攝影術都還沒有發明呢。自由落體的速度實在太快了，很難仔細研究，因此伽利略決定想個辦法，把重力「稀釋」，使物體下落的速度變慢一些；他的辦法就是：讓物體在斜面上滾動，而不是自由落下。
讓自由落體的速度慢下來之後，伽利略就可以仔細觀測，在不同的時間內，物體到底移動了多遠的距離。由於當時還沒有發明碼錶，伽利略利用水從水龍頭流進大燒杯的水量來計時：燒杯裡的水量加倍，時間就加倍。
這樣一來，他就能證明，如果滾動的球（原先是靜止的），在某段很短的時間之內，走了s的距離，那麼在兩倍時間內，滾動的距離將是4s，在三倍時間內就走了9s，而四倍時間內走了16s。換句話說，球在斜面上滾動的距離，和時間間隔的平方成正比。
我們可以很輕易的看出，物體運動時間與距離之間的這種關係，代表物體運動的速度是和時間成正比的，也就是說，物體在做等加速運動。
月球的質量比地球小很多（只有地球的1/81），因此月球上的重力加速度也比地球小很多（只有167 cm/s2），物體在月球表面上受到的重力，會比在地球表面受到的重力小很多。在地球上可以跳1公尺高的人，若是在月球上，可以跳到6公尺高。
但是另一方面，在太陽表面上受到的重力，大約是地球上的30倍（太陽上的重力加速度高達27,440 cm/s2）。站在太陽表面上的人，就算沒有被高溫化成灰燼，也會被自己的體重壓垮（想想看背著30個自己的情形）。
和重力加速度有密切關係的另一項概念，是脫離速度（escape velocity），這是物體想要脫離重力的束縛進入太空，所需要的最低垂直速度。根據我們將在後面討論到的公式，天體的脫離速度，等於它的半徑與表面重力加速度的乘積的平方根。以地球為例，脫離速度是11.2 km/s，而月球的脫離速度只有2.4 km/s。
我們必須注意，地球表面的脫離速度，是指火箭在離開地球大氣層之後，進入太空時需要達到的速度。在通過大氣層的時候，火箭還必須克服大氣層對它產生的阻力，因此，如果火箭在穿過大氣層後，速度只比11.2 km/s稍微快一點點，就會在對抗重力的過程中消耗殆盡，接下來的旅程恐怕寸步難行。因此，在設計太空探險的火箭時，一定要讓它有足夠的餘裕，不能只考慮地球的重力場。
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像狗骨頭的介子
緊接在後加入次原子粒子家族的成員，也是純粹由理論推演出來的。1935年，日本理論物理學家湯川秀樹，提出一種新的粒子，這種粒子和原子核裡質子與中子之間的強核力有關。
兩個物體之間的吸引力，是來自第三者的存在，這個景象好有一比：想像有兩隻餓狗，同時緊緊咬住一根鮮美的骨頭不放，骨頭就在兩隻狗之間拉來拉去，而在爭奪的過程中，兩隻狗就被這根骨頭緊緊的黏在一起，完全分不開。
湯川秀樹認為，核子（質子與中子的總稱）之間的吸引力，就是因為它們想搶著要這個美味的新粒子而產生的。這種新粒子可以是電中性的，也可以是帶正電或帶負電。
兩個核子之間，由於定期交換這種新粒子而得到的束縛能，大小是h（這也是一般振盪過程擁有的能量），其中就是交換的頻率。而根據實驗數據，這個能量大約是10－4耳格，因此我們可以算出
中子和質子之間以這麼激烈的頻率交換這個新粒子，可見有多麼喜歡這根日本骨頭了！
根據湯川秀樹的理論推算，新粒子的質量應該介於質子和電子之間，所以命名為介子（meson，這個字源自希臘字，意思是「中間」）。
這種純假想粒子提出之後兩年，美國物理學家安德森果然在宇宙射線裡，實際觀測到介子。轟擊地球大氣層的宇宙射線（所謂的原宇宙線），基本上是由極高能量的質子與其他較重的帶正電原子核組成的，這些粒子可能受到了星際太空裡的磁場的加速。它們的能量範圍很廣，從幾千電子伏到幾兆電子伏都有。
和空氣中的氧及氮的原子核碰撞之後，原宇宙線粒子就產生出各種有貫穿力的輻射，包括高能的γ射線，以及很強的電子正子束；事實上，正如我們在前面提過的，正子最早就是在宇宙射線裡發現的。
安德森把雲霧室放在強大的磁場裡，觀測宇宙線粒子在雲霧室中形成的軌跡，結果發現，有些粒子的軌跡被磁場彎曲的程度，比質子大了很多，但又沒有電子那麼彎（這些粒子的電性有正有負）。由他觀測到的磁偏轉，安德森估算出這種新粒子的質量大約是電子的200倍，符合湯川秀樹的理論預測值。
然而，這些新粒子似乎非常不願意和核子發生反應，令人相當懷疑它們就是那個預測的核力交換粒子。十年之後，英國物理學家鮑威爾證實介子有兩種，分別是π介子（pion）及μ介子（muon，又稱緲子）；π介子是大氣層上層受到原宇宙線撞擊產生的，而緲子是π介子在產生後10－8秒就自發衰變而成的。
在地球表面的雲霧室裡，我們測到數目頗多的緲子，而研究發現，緲子的半衰期是10－6秒，會衰變成一個電子和兩個微中子：
根據愛因斯坦的相對論，光速（3×1010 cm/s）是所有實際粒子速率的上限。就算以這種速率運動，緲子從大氣層跑到地球表面也需要10－3秒才到得了。如果緲子的半衰期只有10－6秒，怎麼可能在雲霧室裡出現芳蹤？
這個問題的答案，還是隱藏在相對論裡。從我們的觀點來看，快速運動的觀測者手上的錶走得慢些；相對於我們，緲子是在高速運動，因此它的「錶」會變慢，它的壽命也就相對變長了。事實上，宇宙射線產生的緲子，行進的速率非常接近光速，因此時間會慢好幾千分之一，而我們測量到的千分之一秒，相對於緲子來說，則比它的百萬分之一秒壽命還要短得多。
上面這番話，除了解釋我們為什麼在地表附近偵測得到緲子之外，事實上還是相對論的一項強而有力的證明。
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