能量及其守恒定律的發(fā)展

能量及其守恒定律的發(fā)展

一、能量及其守恒定律的歷史溯源能量是一個(gè)非常重要的概念，也是一個(gè)非常抽象、難以定義的概念。它既是物質(zhì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)量的量度,也是系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的量度。能量概念貫穿于自然科學(xué)各個(gè)學(xué)科,在微觀和宏觀、高速和低速等各個(gè)領(lǐng)域,都具有重要的地位和作用。能量守恒定律深刻地揭示了各種形式能量的相互轉(zhuǎn)化和自然界的統(tǒng)一性,是反映自然界規(guī)律的最重要、最基本的定律。能量守恒定律是在宏觀、微觀領(lǐng)域以及高速、低速領(lǐng)域普遍適用的基本規(guī)律;是發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和揭示新規(guī)律的試金石;是現(xiàn)代物理學(xué)分析問題和處理問題最重要的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。能量守恒定律被恩格斯(FriedrichEngels,1820—1895)稱為偉大的運(yùn)動(dòng)基本定律,19世紀(jì)自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一。長期的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論研究為能量守恒定律的最后確立奠定了基礎(chǔ)。到19世紀(jì)40年代,歐洲科學(xué)思想中已經(jīng)普遍蘊(yùn)含著一種氣氛,以一種聯(lián)系的觀點(diǎn)去觀察自然。正是在這種情況下,不同國家的數(shù)位科學(xué)家,同時(shí)從幾個(gè)不同的途徑,各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律,并算出不同形式能量的換算因子。其中邁耶(RobertMayer,1814—1878)、焦耳(JamesPrescottJoule,1818—1889)和亥姆霍茲(HermannHelmholtz,1821—1894)做出了最杰出的貢獻(xiàn)[1]212-236[3]46-56。人們對(duì)能量及其守恒定律內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)一直隨人類對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的深入而更加全面和深刻。甚至從某種意義上說,20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展史,就是一部能量及其守恒定律和相關(guān)思想方法的發(fā)展史。在相對(duì)論和量子理論的建立過程中,以及現(xiàn)代物理場論的探索過程中,能量及其守恒定律和相關(guān)思想方法的發(fā)展和應(yīng)用都起到了極其重要的作用,對(duì)于深化我們對(duì)自然界本質(zhì)的認(rèn)識(shí)具有重要的啟迪意義。在此過程中,愛因斯坦(AlbertEinstein,1879—1955)做出了重要的貢獻(xiàn)。二、從“能量的量子化”到“質(zhì)量關(guān)系”1905年到1907年是愛因斯坦科學(xué)生涯中最重要的時(shí)期。這一時(shí)期,他經(jīng)歷了著名的1905年“愛因斯坦奇跡年”。他創(chuàng)立了狹義相對(duì)論,建立了光量子學(xué)說,提出了廣義相對(duì)論的基本思想,每一項(xiàng)成就都是革命性的,都是物理研究范式的轉(zhuǎn)變,都體現(xiàn)了他對(duì)能量量子化概念以及能量和質(zhì)量關(guān)系認(rèn)識(shí)的飛躍。本文試圖通過諸如《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性的觀點(diǎn)》、《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》等幾篇代表性文獻(xiàn)的研讀,采用文獻(xiàn)研究、對(duì)比分析等方法深刻揭示愛因斯坦對(duì)能量這一重要概念的內(nèi)涵發(fā)展做出的重要貢獻(xiàn)和他的深邃思想;體會(huì)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的方法,深入理解能量及其守恒定律的意義,理解物理學(xué)思想方法在相對(duì)論和量子理論的建立過程中所具有的重要意義和啟迪作用。1.應(yīng)用能量的量的概念普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858―1947)1900年提出能量量子化假說之后,一直處于猶豫彷徨之中。而恰恰是愛因斯坦接受了他的思想,并用于解釋光電效應(yīng)。在論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性的觀點(diǎn)》中愛因斯坦敘述了光的量子論的思考過程。該文繼承并且發(fā)展了普朗克的量子理論思想———高溫物體僅以特定離散束的形式發(fā)射或吸收能量,為構(gòu)成量子力學(xué)基石的光的波粒二重性獲得廣泛接受鋪平了道路。他在文中指出“確實(shí)現(xiàn)在在我看來,關(guān)于黑體輻射、光致發(fā)光、紫外光產(chǎn)生陰極射線以及其它一些有關(guān)光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象的觀察,如果用光的能量在空間中不是連續(xù)分布的這種假說來解釋,似乎就更好理解。按照這里所設(shè)想的假設(shè),從點(diǎn)光源發(fā)射出來的光束的能量在傳播中不是連續(xù)分布在越來越大的空間之中,而是由個(gè)數(shù)有限的、局限在空間各點(diǎn)的能量子所組成,這些能量子能夠運(yùn)動(dòng),但不能再分割,而只能整個(gè)地吸收或產(chǎn)生出來。在Archivesdessciencephysiquesetnaturellers29(1910):525-528中,他又進(jìn)一步總結(jié)到“我們所理解的‘光量子理論’,可以表述如下:一種頻率為v的輻射,只能以量值為hv的完全確定的量子(而不能以較小的量子)而被發(fā)射和吸收?！薄捌毡檎f來,可以認(rèn)為光量子理論是一件實(shí)驗(yàn)事實(shí)的定量表示,那就是,由光所引起的分子現(xiàn)象的能量隨著所用光的可折射性而增加。”2.積極探索能量的慣性質(zhì)量的內(nèi)涵在1905年發(fā)表的《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎》一文中,愛因斯坦根據(jù)關(guān)于空虛空間的麥克斯韋—赫茲(Maxwell-Hertz)方程和關(guān)于空間電磁能的麥克斯韋(Maxwell)表達(dá)式,以及相對(duì)性原理導(dǎo)出了物體的質(zhì)量和能量的關(guān)系:“物體的質(zhì)量是它所含能量的量度;如果能量改變了L,那么質(zhì)量也就相應(yīng)地改變1906年,愛因斯坦發(fā)表了一篇《重心運(yùn)動(dòng)的守恒原理和能量的慣性》的文章。文中,他進(jìn)一步指出了質(zhì)能關(guān)系不僅發(fā)生在力學(xué)過程,而且也發(fā)生在電磁學(xué)過程,是系統(tǒng)的重心運(yùn)動(dòng)守恒定律(6)成立的必要和充分條件。解決了電動(dòng)力學(xué)和重心運(yùn)動(dòng)守恒原理之間的矛盾。1907年,愛因斯坦又進(jìn)一步發(fā)表了一篇《論相對(duì)性原理所要求的能量的慣性》的文章。他用兩個(gè)例子,第一個(gè)例子考察的慣性質(zhì)量體系是由一個(gè)剛性的帶電物體所構(gòu)成;第二個(gè)例子考察的慣性質(zhì)量體系是由許多運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)組成的,這些質(zhì)點(diǎn)之間彼此都不施加任何力。研究得出受力的剛體的動(dòng)能比以同樣速度運(yùn)動(dòng)但不受任何力的同樣物體的動(dòng)能大ΔE的結(jié)論;帶靜電的物體的慣性質(zhì)量比不帶電的物體的慣性質(zhì)量要大,超過量等于靜電能除以光速的平方。能量的慣性定律通過特例得以確認(rèn)。“一個(gè)運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)系———從整體看———質(zhì)點(diǎn)彼此相對(duì)的運(yùn)動(dòng)愈快,慣性就愈大?！痹?907年發(fā)表的《關(guān)于相對(duì)性原理和由此得出的結(jié)論》這一總結(jié)性的文章中。愛因斯坦在討論能量問題時(shí),已經(jīng)闡述了自己的廣義相對(duì)論的思想,這是極其珍貴的和富有革命意義的思想,再一次證明了愛因斯坦不斷探索的一貫精神。在第四部分中最重要的結(jié)論是能量的慣性質(zhì)量。他甚至提出了這樣的問題:能量是不是也具有重力質(zhì)量?進(jìn)一步提出:相對(duì)性原理是不是只適用于非加速坐標(biāo)系?他還在文中加了第五部分,該部分包含了新的有關(guān)加速度和原理的相對(duì)論考察。愛因斯坦在《論引力對(duì)光的傳播的影響》(AnnalenderPhysik35(1911).pp898-908.)一文中的第二節(jié)《論能量的重量》中,他又從兩個(gè)參照系的等價(jià)性假設(shè)出發(fā)證明了狹義相對(duì)論未曾解決的問題。因?yàn)楠M義相對(duì)論已經(jīng)證明了物體的質(zhì)量隨著它的能含量而增加。但是,對(duì)于慣性質(zhì)量的增量,有沒有引力質(zhì)量增量的問題并未解決。在本文中他做了有效的證明。他從一個(gè)無加速參考系來評(píng)定從S三、激勵(lì)能量內(nèi)涵發(fā)展的基礎(chǔ)作用(1)愛因斯坦對(duì)能量量子化理論的發(fā)展具有發(fā)展能量內(nèi)涵和量子理論的雙重作用。在量子理論的發(fā)展還處于猶豫彷徨之中的時(shí)候,在多數(shù)物理學(xué)家還處于觀望徘徊止步不前的時(shí)候,沒有任何思想包袱的愛因斯坦卻在這一時(shí)期對(duì)能量的量子化假說提出了自己獨(dú)到的見解,他以上帝“還給了我靈敏的嗅覺”大膽地發(fā)展了這一理論,用嚴(yán)密的理論推導(dǎo)和合理的假設(shè)得出了解釋光電效應(yīng)的基本思想和方程。進(jìn)一步“大膽地”將光量子理論向前推進(jìn)了一步,并進(jìn)一步總結(jié)了“光量子理論”。為量子理論的發(fā)展和最終確立奠定了基礎(chǔ),為能量內(nèi)涵的進(jìn)一步發(fā)展起到了決定性的作用。(2)愛因斯坦在這一時(shí)期對(duì)質(zhì)量能量關(guān)系的論述,具有原創(chuàng)意義,是愛因斯坦對(duì)能量及其守恒定律發(fā)展做出的最大貢獻(xiàn)。愛因斯坦通過步步深入,層層遞進(jìn)的研究方法,使質(zhì)能關(guān)系理論更加完善,具有科學(xué)革命的意義。在1905年發(fā)表的論文中,愛因斯坦導(dǎo)出了物體的質(zhì)量和能量的關(guān)系;在1906年的論文中,他又進(jìn)一步指出了質(zhì)能關(guān)系不僅發(fā)生在力學(xué)過程,而且也發(fā)生在電磁學(xué)過程;在1907年的論文中,愛因斯坦進(jìn)一步指出了質(zhì)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)愈快,慣性就愈大。他將質(zhì)量和能量用精確的質(zhì)能方程聯(lián)系了起來,將質(zhì)量守恒和能量守恒聯(lián)系了起來。甚至愛因斯坦認(rèn)為:“根據(jù)相對(duì)論,在質(zhì)量和能之間沒有重要的區(qū)別。能具有質(zhì)量而質(zhì)量代表著能量?，F(xiàn)在只有一個(gè)守恒定律,即質(zhì)量—能量守恒定律,而不用兩個(gè)守恒定律了?！?3)1907年,愛因斯坦的研究觸角已經(jīng)進(jìn)一步深入到了廣義相對(duì)論,反映出愛因斯坦對(duì)質(zhì)能關(guān)系的堅(jiān)定信念和不斷探索的進(jìn)取精神。愛因斯坦在探討質(zhì)量能量關(guān)系的基礎(chǔ)上,引入了廣義相對(duì)論的思想,證明了質(zhì)能關(guān)系的普適意義,擴(kuò)大了相對(duì)論思想的適用范圍和人們的研究視域,為1915年廣義相對(duì)論的建立和現(xiàn)代宇宙學(xué)的創(chuàng)