第二十五章    科學(xué)常識與科學(xué)前沿問題

第一節(jié)  科學(xué)常識

一、能量守恒定律

能量和物質(zhì)一樣，都是自然界的一種普遍存在，其中熱、電磁、光等現(xiàn)象和機(jī)械運(yùn)動等，都是能量的不同形式，它們可以相互轉(zhuǎn)化，并且遵循能量守恒定律。

熱是自然界最普遍的一種能量形式。氣體溫度是大量氣體分子熱運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)，固體的熱傳導(dǎo)是物質(zhì)原子在平衡位置附近機(jī)械振動時的能量傳遞，熱輻射是物體內(nèi)部帶電粒子熱運(yùn)動時引起的電磁輻射。人們研究了熱和其他能量之間的轉(zhuǎn)換，發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律。

在歷史上，焦耳通過實驗發(fā)現(xiàn)了熱功當(dāng)量和電流的熱效應(yīng)。隨之開爾文給出了熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)公式。這一定律表明，熱力學(xué)系統(tǒng)如不吸收外部熱量卻對外做功，就必須消耗內(nèi)能。由于熱力學(xué)第一定律所表示的關(guān)系可推廣到電磁、化學(xué)等形式的能量轉(zhuǎn)化過程中，因而也可以被理解為廣義的能量守恒定律，它是自然界最基本的定律之一。根據(jù)能量守恒定律，人類不可能制造出既不需要外部能量又不消耗系統(tǒng)內(nèi)能，卻可以不停做功的永動機(jī)。

在卡諾研究蒸汽機(jī)效率的基礎(chǔ)上，克勞修斯提出，熱不可能獨(dú)立地、沒有補(bǔ)償?shù)貜牡蜏匚矬w傳向高溫物體；在一個孤立系統(tǒng)內(nèi)，熱總是從高溫物體傳向低溫物體，而不是相反。在這方面，開爾文提供了另外一種表述：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。這兩種表述包含的共同結(jié)論是：熱機(jī)不可能把從高溫?zé)嵩粗形盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為有用功，總要把一部分傳給低溫?zé)嵩?。這個定律被稱為熱力學(xué)第二定律。根據(jù)這個定律，任何熱機(jī)的效率都不可能達(dá)到100％。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，人類也不可能造出違背熱力學(xué)第二定律的永動機(jī)，這又稱為第二類永動機(jī)。

二、電磁理論

近代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)磁極之間的斥力遵循平方反比定律，發(fā)明了儲存電荷的萊頓瓶。庫侖在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)：兩個點(diǎn)電荷之間的作用力大小與它們的電量乘積成正比，與距離成反比，作用力在兩點(diǎn)連線上。庫侖定律形式上同萬有引力定律相同。伽伐尼發(fā)表了《論肌肉運(yùn)動中的電作用》一文，伏特對此作出了正確解釋，發(fā)現(xiàn)了電流，并發(fā)明了最早的電池，導(dǎo)致了電學(xué)研究的

革命。奧斯特在做物理實驗時偶然發(fā)現(xiàn)電可以轉(zhuǎn)化為磁。法拉第、亨利則發(fā)現(xiàn)：磁也可以轉(zhuǎn)化為電，即電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

1872年，麥克斯韋提出一組(共4條)方程式，概括了電場、磁場本身，以及電轉(zhuǎn)化為磁、磁轉(zhuǎn)化為電所滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系，并導(dǎo)出電磁場的波動方程，還預(yù)言了電磁波的存在，指出光是電磁波。他的理論成為描述電磁運(yùn)動的基本理論。

在此基礎(chǔ)上，愛因斯坦提出，物體運(yùn)動速度趨近光速時，質(zhì)量會趨向無窮大(質(zhì)一速關(guān)系式)。電子運(yùn)動實驗證實了這一點(diǎn)。愛因斯坦還提出了質(zhì)能關(guān)系式。質(zhì)能關(guān)系式表明，物質(zhì)的質(zhì)量的變化往往伴隨著能量的變化，質(zhì)量的虧損伴隨著巨大能量的產(chǎn)生。愛因斯坦關(guān)于物質(zhì)和能量之間可以相互聯(lián)系的理論，在20世紀(jì)就已經(jīng)得到了原子核物理學(xué)實驗的驗證。

此外，愛因斯坦還從牛頓第二定律中的慣性質(zhì)量和萬有引力定律中的引力質(zhì)量兩者相等的事實出發(fā)，提出著名的等效原理和廣義協(xié)變原理，建立了新的引力理論——廣義相對論。

根據(jù)等效原理，一個加速度為a的非慣性系等效于含有均勻引力場的慣性系，也就是說，在一個加速系統(tǒng)中所看到的運(yùn)動與存在引力場的慣性系統(tǒng)中所看到的運(yùn)動完全相同。比如。地球引力場中自由下落的人的感覺與太空中的失重情況相同，這也得到宇航員的親身驗證。根據(jù)廣義協(xié)變原理，無論在慣性系中還是在非慣性系中，物理規(guī)律都有相同的數(shù)學(xué)形式。這樣，相對性原理由慣性系推廣到非慣性系，狹義相對論就變成了廣義相對論。

根據(jù)廣義相對論，時空的性質(zhì)不但取決于物質(zhì)的運(yùn)動，而且也取決于物質(zhì)在空間的幾何分布。物質(zhì)和運(yùn)動在決定時空性質(zhì)方面有等價性。在引力場中，空間不再平直，而是彎曲的。物質(zhì)密度高的地方引力場強(qiáng)度大，時空也彎曲得厲害，其中時間的彎曲是指時間流逝的節(jié)奏。

根據(jù)牛頓的理論，月球圍繞地球運(yùn)動的軌道是一個橢圓，維持這種運(yùn)動的是萬有引力。根據(jù)愛因斯坦的理論，由于地球的質(zhì)量使其周圍的空間彎曲，月球不過是在彎曲了的空間中沿最短路徑運(yùn)動而已。“物質(zhì)告訴時空怎樣彎曲，時空告訴物質(zhì)怎樣運(yùn)動。”物質(zhì)、運(yùn)動和時空三者之間有不解之緣。相對論不但引起了物理學(xué)革命，也深刻影響了人類的時空觀。

四、量子力學(xué)

量子力學(xué)描述了微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律。根據(jù)麥克斯韋的理論，電磁波和其他波一樣，能量是連續(xù)分布的。1900年，普朗克提出，電磁波的吸收和輻射的能量是不連續(xù)的，其最小單元稱為光量子。愛因斯坦在解釋光電效應(yīng)實驗時提出，光能轉(zhuǎn)化為電子能量時，其轉(zhuǎn)化值也不是連續(xù)的能量，而表現(xiàn)為“粒子”的行為，被稱為光子。人們認(rèn)識到：光具有波粒二象性，光子的能量與光波的頻率聯(lián)系在一起，光在傳播過程中表現(xiàn)為波動，在同物質(zhì)相互作用的過程中表現(xiàn)為具有粒子行為的光子。反過來，德布羅意提出，通常的粒子，如電子、質(zhì)子、中子等粒子有波動性。隨著原子核物理學(xué)的發(fā)展，質(zhì)子、中子、原子、分子的波動性都被證實，波動性是物質(zhì)粒子普遍具有的基本性質(zhì)。

原子軌道內(nèi)電子的運(yùn)動狀況很難觀測，但原子光譜線的頻率和強(qiáng)度可觀測。海森堡從可觀測的原子光譜線的頻率和強(qiáng)度出發(fā)，建立了量子力學(xué)的一種數(shù)學(xué)表達(dá)式_矩陣力學(xué)。薛定諤提出了波函數(shù)的概念，給出描述物質(zhì)波的運(yùn)動方程，建立了量子力學(xué)的又一種數(shù)學(xué)形式——波動力學(xué)。薛定諤方程應(yīng)用較為廣泛。薛定諤還證明了矩陣力學(xué)與波動力學(xué)的等價性。根據(jù)玻恩對波函數(shù)的統(tǒng)計解釋：粒子波函數(shù)在空間某點(diǎn)的強(qiáng)度(振幅的平方)與粒子在該處出現(xiàn)的幾率成正比，物質(zhì)波是一種幾率波。電子衍射實驗說明，幾率波就是大量電子運(yùn)動的統(tǒng)計結(jié)果，對單個電子，波函數(shù)所表示的只是電子出現(xiàn)的幾率。

海森堡深刻研究微觀粒子的波粒二象性后，發(fā)現(xiàn)微觀粒子不能同時存在動量和位置的精確的數(shù)值(在牛頓力學(xué)中，這兩者的精確值是同時存在的)，并且，對動量測得越精確，同時對它的位置就測得越不精確，反之亦然。對微觀粒子所具有的這種特殊性質(zhì)，海森堡稱之為“不確定關(guān)系”。因為“不確定關(guān)系”往往是通過測量才顯現(xiàn)出來的，所以，在我國有人也將其譯作“測不準(zhǔn)關(guān)系”。

由于量子力學(xué)所描述的粒子的行為是統(tǒng)計的行為，未能給出對單個粒子運(yùn)動的精確的描述，在量子力學(xué)理論中不存在粒子運(yùn)動軌道的概念。對此，愛因斯坦認(rèn)為，量子力學(xué)是個暫時的方案，“可愛的上帝不是在擲骰子”。這便是20世紀(jì)圍繞著量子力學(xué)哲學(xué)詮釋所進(jìn)行的爭論。但是，近50年來有關(guān)量子力學(xué)的許多實驗，越來越證明愛因斯坦的理念不正確。