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物理学的根本问题---牛顿究竟发现了什么? 精选

已有 8329 次阅读 2018-1-17 12:34 |个人分类:随想|系统分类:观点评述

物理学的根本问题---牛顿究竟发现了什么?

鲍海飞 2018-1-17

‘势能不是能量。’网络上似乎也有此类似观点。

什么是能?什么是力?最初学物理的时候,先学的力学,那时候认为物质世界,力是一个根本。力的确是根本,因为力再与位移相乘便得到功,功便成为一种‘力’的量度---能量。力分为动力和阻力,具体的又有电力、磁力、机械力、支撑力、摩擦力、耗散力,甚至化学力。功或者能便有了机械能、电能、化学能、太阳能等,进一步,比如,机械能又包含了动能和势能。

如果势能不是能量,那什么才是能量?这让我思考下去,物理学的根本问题,物理究竟是研究什么的呢?能量的本质是什么?势能的本质是什么?能量的作用形式和表现形式又是什么?如果认为质量与速度平方的乘积是一个物质所表现出的能量,是内在,那么,接着的问题是:能量的源泉在哪里?

我想,‘势能不是能量’这种认识,应该是从动能公式派生而出,即动能为质量与速度平方之积除以2(E=mVV/2);进一步,来自于爱因斯坦著名的质能方程E=mc2里,一种物质包含的能量等于它的质量与光速的平方乘积。因为在这个方程里,根本就不存在与位置r相关的物理量,明显的是只有质量和速度,而质量被认为是属于物质的内在固有属性,与速度之积代表能量,故是全部的能量。‘势能不是能量’似乎很有道理,至少爱因斯坦的方程里是这样说的。

然而,这就是问题的全部答案吗?

大约5百年前左右的某一天,在一个阳光明媚的下午,我们的主人公牛顿又来到了他的苹果树下,这是他思考的乐园,不仅风景优美,空气清新,随时还可以摘个苹果品尝。而这一天,与往日并没有什么太大的分别。太阳在天上照耀,蜜蜂在丛林间舞蹈,牛顿在树荫下思考。话说,天上没有掉馅饼的事,可是那天天上的确没有掉下馅饼,却掉下一只苹果!真是无巧不成书,那苹果正砸在苦思冥想的牛顿头上。凡夫俗子定会抱怨然后捡起苹果吃掉,虽心理不舒服,但总算有了口福,也算心理平衡了。然而,这只苹果生来不凡,真是投怀送报,正中一个思想有准备的人的下怀!牛顿笑了,甜甜地笑了,他拣起了苹果,在手里掂来掂去。他没有急着吃,而是把苹果扔上去,接住,又抛上去,接住。大道至简!万物之秘。在那一刻,牛顿醒悟了。苹果为什么会掉下来,牛顿明白了---万有引力诞生了。

苹果从树上掉下来,这意味着,有一种力施加在苹果上,而且是引力。这个引力紧紧地吸引着身边的每一个有质量的物体,这个引力的一个表观属性就是质量。引力的大小与两个物体质量之积和距离的平方反比(作用能则与距离成反比)。如果单纯只考虑地球上的一个质量为m的物体受到地球的作用,且距离地球的高度为h,那么相互作用能,即势能为mgh。此势能可以转变成动能。苹果自然落下,的的确确表明了势能是一种能量的属性,是一种内在的属性,是一种相互作用的属性。‘运动是绝对的,静止是相对的。’在这里更得到验证。进一步:引力是绝对的,引力能是绝对的,势能是绝对的。

抛向天空的一个石子,需要给它一个初速度,然后石子要克服引力势能才能向外飞翔,当然,这个过程还要不断克服空气阻力。如果石子的能量得不到补充,石子只能越来越慢,最后又回到大地上,这是引力在起作用。动能是能,势能更是能,势能的本质是引力能。

         惯性体系的牛顿二次微分方程,一般是用质量-阻尼-弹簧构造而成,简单描述为:F=ma+cv+kx,其中左端F为作用力,右端第一项为在质量m上产生的加速度和相应的力,第二项是阻尼力,第三项便是弹性力。如果势能不是能,弹簧不产生力,那么这一项还有必要加吗?

       话说回来,物理学究竟是研究什么的?物理学就是研究物质与物质之间是如何相互作用和转化的,再如何通过这种转换或转化为我所用。力和能量是衡量这种转化过程的一种尺度。

张弓射箭更是一个势能转化成动能的过程。压缩的弹簧蓄积了势能,固体之间的拉伸和压缩,本质上是分子间的距离变化,于是有了分子间相互作用力,于是有了著名的雷纳德-琼斯势(Lennard-Jones)Φ(r)=-A/r6B/r12,吸引力大约与r-6次幂成正比;斥力大约与r-12次幂成正比。)因此,即使从分子的角度看,势能的本质依然是引力能或斥力能。

        如果没有引力势能,黑洞便不会跋涉千万里光年来相遇发生缠绕,然后融合为一体,进而也就产生不了今天的人们发现的引力波,无论其是否是封闭体系还是开放体系。因此,势能的本质是引力能,动能也是引力能的一种表象。

        希腊神话里记录着一则故事,一个叫西西弗斯的神,由于触犯了众神,诸神就惩罚他,让他每天从早到晚把一块巨石从山下推到山上,石头一推到山顶之上,便又立即滚下山去,他便又追赶着石头到山下,再重新向上推去。他就日复一日、年复一年的重复着这个永无止境的又似毫无意义的工作。西西弗斯并不是在做无用功,而是通过向上移动石头,不断提高势能,而消耗他自己的机械能,进而消耗他自己的化学能。作用和反作用这才是根本,是物理学的基础。

有质量的物体具有的运动不仅是一种外在能量所表现出的属性,更是一种相互作用属性的表现形式。而质量的本身更是一种能量的存储形式。

   汉语魅力无穷。‘能力’、‘势力’二字,意义深远。其实,‘能’是指内在固有,而‘力’是‘能’发出去的大小;而‘势力’则不同,‘势’有背景之含义,进而衍生出力。

讲道理也是一样,‘道’是方法途径,‘理’是内在因果关系。找到了道,再寻理。这就是人们常说的做事要讲道理的原因。人类的认识过程也是一个讲道理的过程,先技术后原理,科学研究就是一个讲道理的过程!

牛顿发现了什么?应该说,牛顿发现了物质间相互作用的引力,进而牛顿发现了引力能,也就是发现了势能,一个体系它的作用势力范围---场!牛顿更发现了物质间相互作用的规律,既作用力和反作用力的规律。这是一个从现象到本质的过程,是距离与力的较量,也就是势(或能)与距离较量。当然,这也是物理学的基本问题之一。其后的研究人员,更是发现了电磁的相互作用,光电的相互转化,电场、磁场、光场等。

‘运动是绝对的,静止是相对的,’应改为:‘相互作用是绝对的,系统能量是固有的。’




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