能量及其守恒定律的发展

能量及其守恒定律的发展

一、能量及其守恒定律的历史溯源能量是一个非常重要的概念，也是一个非常抽象、难以定义的概念。它既是物质系统运动量的量度,也是系统运动状态转化的量度。能量概念贯穿于自然科学各个学科,在微观和宏观、高速和低速等各个领域,都具有重要的地位和作用。能量守恒定律深刻地揭示了各种形式能量的相互转化和自然界的统一性,是反映自然界规律的最重要、最基本的定律。能量守恒定律是在宏观、微观领域以及高速、低速领域普遍适用的基本规律;是发现新现象和揭示新规律的试金石;是现代物理学分析问题和处理问题最重要的出发点和归宿。能量守恒定律被恩格斯(FriedrichEngels,1820—1895)称为伟大的运动基本定律,19世纪自然科学三大发现之一。长期的科学实验和理论研究为能量守恒定律的最后确立奠定了基础。到19世纪40年代,欧洲科学思想中已经普遍蕴含着一种气氛,以一种联系的观点去观察自然。正是在这种情况下,不同国家的数位科学家,同时从几个不同的途径,各自独立地发现了能量守恒定律,并算出不同形式能量的换算因子。其中迈耶(RobertMayer,1814—1878)、焦耳(JamesPrescottJoule,1818—1889)和亥姆霍兹(HermannHelmholtz,1821—1894)做出了最杰出的贡献[1]212-236[3]46-56。人们对能量及其守恒定律内涵的认识一直随人类对物质世界认识的深入而更加全面和深刻。甚至从某种意义上说,20世纪物理学的发展史,就是一部能量及其守恒定律和相关思想方法的发展史。在相对论和量子理论的建立过程中,以及现代物理场论的探索过程中,能量及其守恒定律和相关思想方法的发展和应用都起到了极其重要的作用,对于深化我们对自然界本质的认识具有重要的启迪意义。在此过程中,爱因斯坦(AlbertEinstein,1879—1955)做出了重要的贡献。二、从“能量的量子化”到“质量关系”1905年到1907年是爱因斯坦科学生涯中最重要的时期。这一时期,他经历了著名的1905年“爱因斯坦奇迹年”。他创立了狭义相对论,建立了光量子学说,提出了广义相对论的基本思想,每一项成就都是革命性的,都是物理研究范式的转变,都体现了他对能量量子化概念以及能量和质量关系认识的飞跃。本文试图通过诸如《关于光的产生和转化的一个试探性的观点》、《论动体的电动力学》等几篇代表性文献的研读,采用文献研究、对比分析等方法深刻揭示爱因斯坦对能量这一重要概念的内涵发展做出的重要贡献和他的深邃思想;体会物理学家发现问题、分析问题和解决问题的方法,深入理解能量及其守恒定律的意义,理解物理学思想方法在相对论和量子理论的建立过程中所具有的重要意义和启迪作用。1.应用能量的量的概念普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858―1947)1900年提出能量量子化假说之后,一直处于犹豫彷徨之中。而恰恰是爱因斯坦接受了他的思想,并用于解释光电效应。在论文《关于光的产生和转化的一个试探性的观点》中爱因斯坦叙述了光的量子论的思考过程。该文继承并且发展了普朗克的量子理论思想———高温物体仅以特定离散束的形式发射或吸收能量,为构成量子力学基石的光的波粒二重性获得广泛接受铺平了道路。他在文中指出“确实现在在我看来,关于黑体辐射、光致发光、紫外光产生阴极射线以及其它一些有关光的产生和转化的现象的观察,如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释,似乎就更好理解。按照这里所设想的假设,从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中,而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成,这些能量子能够运动,但不能再分割,而只能整个地吸收或产生出来。在Archivesdessciencephysiquesetnaturellers29(1910):525-528中,他又进一步总结到“我们所理解的‘光量子理论’,可以表述如下:一种频率为v的辐射,只能以量值为hv的完全确定的量子(而不能以较小的量子)而被发射和吸收。”“普遍说来,可以认为光量子理论是一件实验事实的定量表示,那就是,由光所引起的分子现象的能量随着所用光的可折射性而增加。”2.积极探索能量的惯性质量的内涵在1905年发表的《物体的惯性同它所含的能量有关吗》一文中,爱因斯坦根据关于空虚空间的麦克斯韦—赫兹(Maxwell-Hertz)方程和关于空间电磁能的麦克斯韦(Maxwell)表达式,以及相对性原理导出了物体的质量和能量的关系:“物体的质量是它所含能量的量度;如果能量改变了L,那么质量也就相应地改变1906年,爱因斯坦发表了一篇《重心运动的守恒原理和能量的惯性》的文章。文中,他进一步指出了质能关系不仅发生在力学过程,而且也发生在电磁学过程,是系统的重心运动守恒定律(6)成立的必要和充分条件。解决了电动力学和重心运动守恒原理之间的矛盾。1907年,爱因斯坦又进一步发表了一篇《论相对性原理所要求的能量的惯性》的文章。他用两个例子,第一个例子考察的惯性质量体系是由一个刚性的带电物体所构成;第二个例子考察的惯性质量体系是由许多运动质点组成的,这些质点之间彼此都不施加任何力。研究得出受力的刚体的动能比以同样速度运动但不受任何力的同样物体的动能大ΔE的结论;带静电的物体的惯性质量比不带电的物体的惯性质量要大,超过量等于静电能除以光速的平方。能量的惯性定律通过特例得以确认。“一个运动质点系———从整体看———质点彼此相对的运动愈快,惯性就愈大。”在1907年发表的《关于相对性原理和由此得出的结论》这一总结性的文章中。爱因斯坦在讨论能量问题时,已经阐述了自己的广义相对论的思想,这是极其珍贵的和富有革命意义的思想,再一次证明了爱因斯坦不断探索的一贯精神。在第四部分中最重要的结论是能量的惯性质量。他甚至提出了这样的问题:能量是不是也具有重力质量?进一步提出:相对性原理是不是只适用于非加速坐标系?他还在文中加了第五部分,该部分包含了新的有关加速度和原理的相对论考察。爱因斯坦在《论引力对光的传播的影响》(AnnalenderPhysik35(1911).pp898-908.)一文中的第二节《论能量的重量》中,他又从两个参照系的等价性假设出发证明了狭义相对论未曾解决的问题。因为狭义相对论已经证明了物体的质量随着它的能含量而增加。但是,对于惯性质量的增量,有没有引力质量增量的问题并未解决。在本文中他做了有效的证明。他从一个无加速参考系来评定从S三、激励能量内涵发展的基础作用(1)爱因斯坦对能量量子化理论的发展具有发展能量内涵和量子理论的双重作用。在量子理论的发展还处于犹豫彷徨之中的时候,在多数物理学家还处于观望徘徊止步不前的时候,没有任何思想包袱的爱因斯坦却在这一时期对能量的量子化假说提出了自己独到的见解,他以上帝“还给了我灵敏的嗅觉”大胆地发展了这一理论,用严密的理论推导和合理的假设得出了解释光电效应的基本思想和方程。进一步“大胆地”将光量子理论向前推进了一步,并进一步总结了“光量子理论”。为量子理论的发展和最终确立奠定了基础,为能量内涵的进一步发展起到了决定性的作用。(2)爱因斯坦在这一时期对质量能量关系的论述,具有原创意义,是爱因斯坦对能量及其守恒定律发展做出的最大贡献。爱因斯坦通过步步深入,层层递进的研究方法,使质能关系理论更加完善,具有科学革命的意义。在1905年发表的论文中,爱因斯坦导出了物体的质量和能量的关系;在1906年的论文中,他又进一步指出了质能关系不仅发生在力学过程,而且也发生在电磁学过程;在1907年的论文中,爱因斯坦进一步指出了质点相对运动愈快,惯性就愈大。他将质量和能量用精确的质能方程联系了起来,将质量守恒和能量守恒联系了起来。甚至爱因斯坦认为:“根据相对论,在质量和能之间没有重要的区别。能具有质量而质量代表着能量。现在只有一个守恒定律,即质量—能量守恒定律,而不用两个守恒定律了。”(3)1907年,爱因斯坦的研究触角已经进一步深入到了广义相对论,反映出爱因斯坦对质能关系的坚定信念和不断探索的进取精神。爱因斯坦在探讨质量能量关系的基础上,引入了广义相对论的思想,证明了质能关系的普适意义,扩大了相对论思想的适用范围和人们的研究视域,为1915年广义相对论的建立和现代宇宙学的创