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/r6＋B/r12，吸引力大约与r的-6次幂成正比；斥力大约与r的-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。’