|
九、动能与“热”本质的疑点 在牛顿力学体系中，“动量”也是一个极其重要的概念。但牛顿对“动量”的定义却下得很随意，在《自然哲学的数学原理•定义和注释•定义2》中，牛顿的拉丁原文是这样描述运动之量的： “Definitiones 2: Quαntitαs motus est quαe oritur ex velocitαte etquαntitαte mαteriαe Conjunctim. Motus totus est summα motuum inpαrtibus singulis, αdeoque in corpore duplo mαjore αequαlicum veloci-tαte duplus est et duplα cum velocitαte quαdruplus.” “定义2：运动的量是由物质的速度和它的质量共同产生的，整个运动是其各部分运动的总和。因此，一个两倍大的物体，如果具有同一速度，它的运动量是两倍；如果具有两倍的速度，它的运动量则是四倍。” 牛顿所说的“运动的量”就是我们今天所说的“动量”，它由质量m与速度v² 的积构成，即E = mv² ，最先提出“动量”概念的是法国人笛卡尔，他认为宇宙物质的运动总量是守恒的，既不增加，也不减少，其运动总量E = mv。 后来，惠更斯（C•Huygens，1629~1695）与菜布尼茨率先反对笛卡尔的mv，认为那是一种“死力”，他们主张E = mv² ，并在1686年称这一新动量为“活力”。显然，牛顿并没介入“死力”与“活力”两派的争论，而是直接采纳了E = mv² 的方案，至于这一方案是不是绝对正确，牛顿没作评论。1801年，托马斯•扬（Thomas Young，1773~1829）在英国皇家学院的演说中首次提出用“能”来表示这个“活力”，此后，人们不再把mv² 叫做“动量”（运动的量），而是叫做“动能”。1829年，法国工程师彭塞利（J•Poneclet，1788~1867）引入一个新名词---------“功”，不久，科里奥利（G•G•de Coriolis，1792~1843）在《论刚体力学及机器作用的计算》一书中明确称其为“运动的功”，并从数学上规定：W (功) = F (力)• S（距离），即功是牛顿力与物体位移距离的乘积。 1865年，德国的赫尔姆霍茨（H•L•F•von Helmholtz，1821~1894）为使动能mα与势能mg相互换算，根据牛顿v² = 2αS的公式得出： W = FS = mα•v² / 2α = 1 / 2•mv² 显然，这里的“功”只是牛顿动量值mv² 的一半，赫尔姆霍茨正是用这个半牛顿动量建立了著名的“动能守恒定律”。 纵观mv、1 / 2•mv²、mv² 三个“量值”的演变过程，谁也不知道真实的自然界将作何种选择，从量值的大小来看，笛卡尔的“死力”值最小，惠更斯、莱布尼茨的“活力”值最大，赫尔姆霍茨的量值居中，既不死也不活，能很好地调和长达100多年的“死活”之争，故我们今天的教科书都在用这个半死不活的1 / 2• mv² 作为物体运动的量。可是，自然界是不是同意人类作出的历史性选择呢？自然界的动量守恒点到底是mv² 、1 / 2•mv² 呢？还是笛卡尔的mv 呢？至今没有谁能说清。 可笑的是，物理老师对付学生却有很独到的办法，他们振振有词地教导说：“mv是动量，1 / 2•mv² 是动能，mv² 是能量，动量、动能、能量是三种不同的物理量，考试时要你答什么量，你就用什么量。”可也有学生不服气：“这不是在玩概念与算术游戏吗？m是质量，v是速度，质量同速度的积能积出这么多新物理概念吗？如果要宇宙间的运动量守恒，那这运动总量到底守恒在什么量值上呢？” 如果牛顿“动量”仅仅是牛顿本人的一种“观点”、“立场”、“取舍”或“意向”，那么这种“动量”就不是自然哲学的真实原理，它最多不过是某位大物理学家的一己之见，人们完全可以随意选择，不必过于认真。但是，偏偏牛顿力学的许多推论都离不开这一“动量”定义，它是整个经典力学的基础理论之一，如果连这个“动量”定义都似是而非，那么牛顿运动力学的整个建筑就埋下了危险的隐患。 比如，热力学大厦就建立在牛顿“动量”定义基础之上，如果这个基础不稳，整个热力学体系将不堪设想。大家知道，“布郎运动”是现代热力学的基础，而“布郎运动”所描述的就是分子的运动，分子运动的动能大小是决定“热量”的一个决定性指标，如果分子的质量m是不变量，那么分子运动的动能大小就由其平均运动速度v来决定，v越大，其热量越大。但当我们面对v¹、1 / 2•v² 、v² 、三个速度值时，我们该取哪一个量值合适呢？虽然今天国内的教科书多取1 / 2•mv² 为分子运动的平均动能，但没有哪一个权威科学家敢出来说mv或mv² 不对。 从广义来说，热力学就是研究“热运动”的学问，“热运动”就是气体、液体和固体里分子的无规则运动或“布郎运动”，物质分子无规则运动的平均速度决定着液体或气体的温度，由于质量m是不变量，那么这种分子无规则运动的平均速度就是分子的平均动能（1 / 2•mv² ），分子的平均动能越大，气、液体的温度就越高；分子的平均动能越小，气、液体的温度就越低；从分子运动论的角度看，温度就是分子平均动能的标志。如果我们连分子平均动能的方程都不能确定下来，那么热力学的各条定律还有什么意义呢？ 也许有人说，热力学是一门经验科学，与牛顿的“动量”定义无关。如果真是这样，牛顿力学当然也就不会影响到热力学，井水不犯河水，各走各的道。但问题不是牛顿要去指导热力学，而是热力学要来找牛顿，因为没有“布郎运动”这种分子运动理论，没有牛顿的动量定义，热力学家没法解释“热”形成的原因。连“热”都没弄清楚，哪会有什么“热力学”呢？既然要用牛顿的“动量”来解释“热”，就要弄清牛顿“动量”的真伪，如果牛顿的“动量”错了，就应去找惠更斯或者赫尔姆霍茨，如果牛顿的“动量”是对的，就应说出“对”的理由，而不能不加证明地作出人为的取舍，意向与取舍不是科学所能容纳的概念。 《大推动-------经典物理重建与牛顿力学批判》雷元星著； |
