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非常重要的概念，也是一個非常抽象、難以定義的概念。它既是物質(zhì)系統(tǒng)運動量的量度,也是系統(tǒng)運動狀態(tài)轉(zhuǎn)化的量度。能量概念貫穿于自然科學各個學科,在微觀和宏觀、高速和低速等各個領域,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、微觀領域以及高速、低速領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)代物理學分析問題和處理問題最重要的出發(fā)點和歸宿。能量守恒定律被恩格斯(FriedrichEngels,1820—1895)稱為偉大的運動基本定律,19世紀自然科學三大發(fā)現(xiàn)之一。長期的科學實驗和理論研究為能量守恒定律的最后確立奠定了基礎。到19世紀40年代,歐洲科學思想中已經(jīng)普遍蘊含著一種氣氛,以一種聯(lián)系的觀點去觀察自然。正是在這種情況下,不同國家的數(shù)位科學家,同時從幾個不同的途徑,各自獨立地發(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[1]212-236[3]46-56。人們對能量及其守恒定律內(nèi)涵的認識一直隨人類對物質(zhì)世界認識的深入而更加全面和深刻。甚至從某種意義上說,20世紀物理學的發(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)展和應用都起到了極其重要的作用,對于深化我們對自然界本質(zhì)的認識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。二、從“能量的量子化”到“質(zhì)量關(guān)系”1905年到1907年是愛因斯坦科學生涯中最重要的時期。這一時期,他經(jīng)歷了著名的1905年“愛因斯坦奇跡年”。他創(chuàng)立了狹義相對論,建立了光量子學說,提出了廣義相對論的基本思想,每一項成就都是革命性的,都是物理研究范式的轉(zhuǎn)變,都體現(xiàn)了他對能量量子化概念以及能量和質(zhì)量關(guān)系認識的飛躍。本文試圖通過諸如《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性的觀點》、《論動體的電動力學》等幾篇代表性文獻的研讀,采用文獻研究、對比分析等方法深刻揭示愛因斯坦對能量這一重要概念的內(nèi)涵發(fā)展做出的重要貢獻和他的深邃思想;體會物理學家發(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,理解物理學思想方法在相對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。在論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性的觀點》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。按照這里所設想的假設,從點光源發(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,而是由個數(shù)有限的、局限在空間各點的能量子所組成,這些能量子能夠運動,但不能再分割,而只能整個地吸收或產(chǎn)生出來。在Archivesdessciencephysiquesetnaturellers29(1910):525-528中,他又進一步總結(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,可以認為光量子理論是一件實驗事實的定量表示,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?！?.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)表達式,以及相對性原理導出了物體的質(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)量也就相應地改變1906年,愛因斯坦發(fā)表了一篇《重心運動的守恒原理和能量的慣性》的文章。文中,他進一步指出了質(zhì)能關(guān)系不僅發(fā)生在力學過程,而且也發(fā)生在電磁學過程,是系統(tǒng)的重心運動守恒定律(6)成立的必要和充分條件。解決了電動力學和重心運動守恒原理之間的矛盾。1907年,愛因斯坦又進一步發(fā)表了一篇《論相對性原理所要求的能量的慣性》的文章。他用兩個例子,第一個例子考察的慣性質(zhì)量體系是由一個剛性的帶電物體所構(gòu)成;第二個例子考察的慣性質(zhì)量體系是由許多運動質(zhì)點組成的,這些質(zhì)點之間彼此都不施加任何力。研究得出受力的剛體的動能比以同樣速度運動但不受任何力的同樣物體的動能大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。“一個運動質(zhì)點系———從整體看———質(zhì)點彼此相對的運動愈快,慣性就愈大。”在1907年發(fā)表的《關(guān)于相對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,已經(jīng)闡述了自己的廣義相對論的思想,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?進一步提出:相對性原理是不是只適用于非加速坐標系?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論考察。愛因斯坦在《論引力對光的傳播的影響》(AnnalenderPhysik35(1911).pp898-908.)一文中的第二節(jié)《論能量的重量》中,他又從兩個參照系的等價性假設出發(fā)證明了狹義相對論未曾解決的問題。因為狹義相對論已經(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。他從一個無加速參考系來評定從S三、激勵能量內(nèi)涵發(fā)展的基礎作用(1)愛因斯坦對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候,在多數(shù)物理學家還處于觀望徘徊止步不前的時候,沒有任何思想包袱的愛因斯坦卻在這一時期對能量的量子化假說提出了自己獨到的見解,他以上帝“還給了我靈敏的嗅覺”大膽地發(fā)展了這一理論,用嚴密的理論推導和合理的假設得出了解釋光電效應的基本思想和方程。進一步“大膽地”將光量子理論向前推進了一步,并進一步總結(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,為能量內(nèi)涵的進一步發(fā)展起到了決定性的作用。(2)愛因斯坦在這一時期對質(zhì)量能量關(guān)系的論述,具有原創(chuàng)意義,是愛因斯坦對能量及其守恒定律發(fā)展做出的最大貢獻。愛因斯坦通過步步深入,層層遞進的研究方法,使質(zhì)能關(guān)系理論更加完善,具有科學革命的意義。在1905年發(fā)表的論文中,愛因斯坦導出了物體的質(zhì)量和能量的關(guān)系;在1906年的論文中,他又進一步指出了質(zhì)能關(guān)系不僅發(fā)生在力學過程,而且也發(fā)生在電磁學過程;在1907年的論文中,愛因斯坦進一步指出了質(zhì)點相對運動愈快,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。甚至愛因斯坦認為:“根據(jù)相對論,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)在只有一個守恒定律,即質(zhì)量—能量守恒定律,而不用兩個守恒定律了?！?3)1907年,愛因斯坦的研究觸角已經(jīng)進一步深入到了廣義相對論,反映出愛因斯坦對質(zhì)能關(guān)系的堅定信念和不斷探索的進取精神。愛因斯坦在探討質(zhì)量能量關(guān)系的基礎上,引入了廣義相對論的思想,證明了質(zhì)能關(guān)系的普適意義,擴大了相對論思想的適用范圍和人們的研究視域,為1915年廣義相對論的建立和現(xiàn)代宇宙學的創(chuàng)