第二十五章 科学常识与科学前沿问题

第一节 科学常识

一、能量守恒定律

能量和物质一样，都是自然界的一种普遍存在，其中热、电磁、光等现象和机械运动等，都是能量的不同形式，它们可以相互转化，并且遵循能量守恒定律。

热是自然界最普遍的一种能量形式。气体温度是大量气体分子热运动的宏观表现，固体的热传导是物质原子在平衡位置附近机械振动时的能量传递，热辐射是物体内部带电粒子热运动时引起的电磁辐射。人们研究了热和其他能量之间的转换，发现了能量守恒定律。

在历史上，焦耳通过实验发现了热功当量和电流的热效应。随之开尔文给出了热力学第一定律的数学公式。这一定律表明，热力学系统如不吸收外部热量却对外做功，就必须消耗内能。由于热力学第一定律所表示的关系可推广到电磁、化学等形式的能量转化过程中，因而也可以被理解为广义的能量守恒定律，它是自然界最基本的定律之一。根据能量守恒定律，人类不可能制造出既不需要外部能量又不消耗系统内能，却可以不停做功的永动机。

在卡诺研究蒸汽机效率的基础上，克劳修斯提出，热不可能独立地、没有补偿地从低温物体传向高温物体；在一个孤立系统内，热总是从高温物体传向低温物体，而不是相反。在这方面，开尔文提供了另外一种表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。这两种表述包含的共同结论是：热机不可能把从高温热源中吸收的热量全部转化为有用功，总要把一部分传给低温热源。这个定律被称为热力学第二定律。根据这个定律，任何热机的效率都不可能达到100％。根据热力学第二定律，人类也不可能造出违背热力学第二定律的永动机，这又称为第二类永动机。

二、电磁理论

近代科学家发现磁极之间的斥力遵循平方反比定律，发明了储存电荷的莱顿瓶。库仑在此基础上发现：两个点电荷之间的作用力大小与它们的电量乘积成正比，与距离成反比，作用力在两点连线上。库仑定律形式上同万有引力定律相同。伽伐尼发表了《论肌肉运动中的电作用》一文，伏特对此作出了正确解释，发现了电流，并发明了最早的电池，导致了电学研究的

革命。奥斯特在做物理实验时偶然发现电可以转化为磁。法拉第、亨利则发现：磁也可以转化为电，即电磁感应现象。

1872年，麦克斯韦提出一组(共4条)方程式，概括了电场、磁场本身，以及电转化为磁、磁转化为电所满足的数学关系，并导出电磁场的波动方程，还预言了电磁波的存在，指出光是电磁波。他的理论成为描述电磁运动的基本理论。

在此基础上，爱因斯坦提出，物体运动速度趋近光速时，质量会趋向无穷大(质一速关系式)。电子运动实验证实了这一点。爱因斯坦还提出了质能关系式。质能关系式表明，物质的质量的变化往往伴随着能量的变化，质量的亏损伴随着巨大能量的产生。爱因斯坦关于物质和能量之间可以相互联系的理论，在20世纪就已经得到了原子核物理学实验的验证。

此外，爱因斯坦还从牛顿第二定律中的惯性质量和万有引力定律中的引力质量两者相等的事实出发，提出著名的等效原理和广义协变原理，建立了新的引力理论——广义相对论。

根据等效原理，一个加速度为a的非惯性系等效于含有均匀引力场的惯性系，也就是说，在一个加速系统中所看到的运动与存在引力场的惯性系统中所看到的运动完全相同。比如。地球引力场中自由下落的人的感觉与太空中的失重情况相同，这也得到宇航员的亲身验证。根据广义协变原理，无论在惯性系中还是在非惯性系中，物理规律都有相同的数学形式。这样，相对性原理由惯性系推广到非惯性系，狭义相对论就变成了广义相对论。

根据广义相对论，时空的性质不但取决于物质的运动，而且也取决于物质在空间的几何分布。物质和运动在决定时空性质方面有等价性。在引力场中，空间不再平直，而是弯曲的。物质密度高的地方引力场强度大，时空也弯曲得厉害，其中时间的弯曲是指时间流逝的节奏。

根据牛顿的理论，月球围绕地球运动的轨道是一个椭圆，维持这种运动的是万有引力。根据爱因斯坦的理论，由于地球的质量使其周围的空间弯曲，月球不过是在弯曲了的空间中沿最短路径运动而已。“物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动。”物质、运动和时空三者之间有不解之缘。相对论不但引起了物理学革命，也深刻影响了人类的时空观。

四、量子力学

量子力学描述了微观粒子的运动规律。根据麦克斯韦的理论，电磁波和其他波一样，能量是连续分布的。1900年，普朗克提出，电磁波的吸收和辐射的能量是不连续的，其最小单元称为光量子。爱因斯坦在解释光电效应实验时提出，光能转化为电子能量时，其转化值也不是连续的能量，而表现为“粒子”的行为，被称为光子。人们认识到：光具有波粒二象性，光子的能量与光波的频率联系在一起，光在传播过程中表现为波动，在同物质相互作用的过程中表现为具有粒子行为的光子。反过来，德布罗意提出，通常的粒子，如电子、质子、中子等粒子有波动性。随着原子核物理学的发展，质子、中子、原子、分子的波动性都被证实，波动性是物质粒子普遍具有的基本性质。

原子轨道内电子的运动状况很难观测，但原子光谱线的频率和强度可观测。海森堡从可观测的原子光谱线的频率和强度出发，建立了量子力学的一种数学表达式_矩阵力学。薛定谔提出了波函数的概念，给出描述物质波的运动方程，建立了量子力学的又一种数学形式——波动力学。薛定谔方程应用较为广泛。薛定谔还证明了矩阵力学与波动力学的等价性。根据玻恩对波函数的统计解释：粒子波函数在空间某点的强度(振幅的平方)与粒子在该处出现的几率成正比，物质波是一种几率波。电子衍射实验说明，几率波就是大量电子运动的统计结果，对单个电子，波函数所表示的只是电子出现的几率。

海森堡深刻研究微观粒子的波粒二象性后，发现微观粒子不能同时存在动量和位置的精确的数值(在牛顿力学中，这两者的精确值是同时存在的)，并且，对动量测得越精确，同时对它的位置就测得越不精确，反之亦然。对微观粒子所具有的这种特殊性质，海森堡称之为“不确定关系”。因为“不确定关系”往往是通过测量才显现出来的，所以，在我国有人也将其译作“测不准关系”。

由于量子力学所描述的粒子的行为是统计的行为，未能给出对单个粒子运动的精确的描述，在量子力学理论中不存在粒子运动轨道的概念。对此，爱因斯坦认为，量子力学是个暂时的方案，“可爱的上帝不是在掷骰子”。这便是20世纪围绕着量子力学哲学诠释所进行的争论。但是，近50年来有关量子力学的许多实验，越来越证明爱因斯坦的理念不正确。