關(guān)于力學(xué)的經(jīng)典論文 轉(zhuǎn)貼

經(jīng)典與時(shí)代的批判
----------經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性
摘要：論述經(jīng)典力學(xué)的成就，批判經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間、引力本質(zhì)、質(zhì)量不變等觀點(diǎn)，說(shuō)明其應(yīng)用范圍及其與經(jīng)典物理學(xué)的矛盾。
關(guān)鍵詞：空間 時(shí)間 引力的本質(zhì) 質(zhì)量 速度 能量 矛盾
一、經(jīng)典力學(xué)的成就
經(jīng)典力學(xué)的理論體系是以牛頓運(yùn)動(dòng)三定律為基礎(chǔ)的。牛頓系統(tǒng)地總結(jié)了伽利略、開普勒和惠更斯等人的工作，得到了萬(wàn)有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)三定律，于 1687年出版了《自然哲學(xué)數(shù)學(xué)原理》。這是牛頓的一部代表作，也是力學(xué)的一部經(jīng)典著作。牛頓在這部書中，從力學(xué)的基本概念(質(zhì)量、動(dòng)量、慣性、力等)和基本定律(運(yùn)動(dòng)三定律)出發(fā)，運(yùn)用他所發(fā)明的微積分這一銳利的數(shù)學(xué)工具，建立了經(jīng)典力學(xué)的完整而嚴(yán)密的體系，把天體力學(xué)和地面上的物體的力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，這是物理學(xué)史上第一次大的綜合。所以，牛頓的《自然哲學(xué)數(shù)學(xué)原理》的出版，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)體系的建立。這對(duì)科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程以及后代科學(xué)家們的思維方式產(chǎn)生了極其深刻的影響。牛頓力學(xué)的建立標(biāo)志著近代理論自然科學(xué)的誕生，并成為其他各門自然科學(xué)的典范。
二、經(jīng)典力學(xué)的局限性
創(chuàng)造歷史的人們總是不可避免地要受到歷史的制約，牛頓當(dāng)然也不例外。由于受到時(shí)代的局限，牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)的基本概念和基本原理存在著固有的局限性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
第一，引入了絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間等基本概念。按照牛頓的說(shuō)法，絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，而且由于其本性而均勻地、與任何其他外界事物無(wú)關(guān)地流逝著。絕對(duì)空間就其本性而言，是與任何外界事物無(wú)關(guān)而永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的。絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)物體從某一絕對(duì)的處所向另一絕對(duì)的處所的移動(dòng)。
萊布尼茲、貝克萊、馬赫等先后都對(duì)絕對(duì)空間、時(shí)間觀念提出過(guò)有價(jià)值的異議，指出過(guò)，沒(méi)有證據(jù)能表明牛頓絕對(duì)空間的存在。愛(ài)因斯坦推廣了上述的相對(duì)性原理，提出狹義相對(duì)論。在狹義相對(duì)論中，長(zhǎng)度和時(shí)間間隔也變成相對(duì)量，運(yùn)動(dòng)的尺相對(duì)于靜止的尺變短，運(yùn)動(dòng)的鐘相對(duì)于靜止的鐘變慢。在廣義相對(duì)論中，時(shí)空的性質(zhì)不是與物體運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的：一方面，物體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)要決定于用怎樣的空間時(shí)間參照系來(lái)描寫它另一方面時(shí)空的性質(zhì)也決定于物體及其運(yùn)動(dòng)本身。
量子論的發(fā)展，對(duì)時(shí)間概念提出了更根本的問(wèn)題。量子論的結(jié)論之一就是：對(duì)于一個(gè)體系在過(guò)去可能存在于什么狀態(tài)的判斷結(jié)果，要決定于在現(xiàn)今的測(cè)量中做怎樣的選擇。這種現(xiàn)在與過(guò)去之間的相互關(guān)系，是與因果順序概念十分不同的，暗含于時(shí)間概念中的因果序列要求過(guò)去的存在應(yīng)是不依賴現(xiàn)在的。
因此，用時(shí)間來(lái)描述事件發(fā)生的順序，可能并不總是合用的。空間與時(shí)間是事物之間的一種次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一種近似。
第二，牛頓雖然對(duì)引力的本質(zhì)持審慎態(tài)度，但最終還是對(duì)它作了抽象的、純粹數(shù)學(xué)形式的概括，把它實(shí)際看作是一種直接的、即時(shí)傳遞的超距作用力。
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論對(duì)萬(wàn)有引力做出一種解釋，就是時(shí)空本身是有彈性的，可以彎曲、伸展。當(dāng)一個(gè)有質(zhì)量的物體置于某一空間時(shí)，空間就會(huì)彎曲變形，質(zhì)量越大，空間彎曲變形就越嚴(yán)重。那么，空間為什么會(huì)在有質(zhì)量的物體周圍彎曲呢？愛(ài)因斯坦也沒(méi)能給出答案。所以，愛(ài)因斯坦的彎曲空間理論也沒(méi)有說(shuō)明引力的本質(zhì)是什么。量子力學(xué)關(guān)于電荷間的電磁力和強(qiáng)子間的強(qiáng)相互作用力的傳遞原理的解釋也沒(méi)有說(shuō)明引力的本質(zhì)是什么。認(rèn)為引力是通過(guò)引力場(chǎng)或引力子來(lái)傳遞的觀點(diǎn)也未得到肯定，因?yàn)椋两窨茖W(xué)家也沒(méi)有找到傳遞萬(wàn)有引力作用的引力子。
第三、 在經(jīng)典力學(xué)中物體的質(zhì)量是恒定不變的，它與物體的速度或能量無(wú)關(guān)。
在相對(duì)論中質(zhì)量這一概念的外延就被大大地?cái)U(kuò)展了。.愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能方程E=mc2使到原來(lái)在經(jīng)典力學(xué)中彼此獨(dú)立的質(zhì)量守恒和能量守恒定律結(jié)合起來(lái)，成了統(tǒng)一的“質(zhì)能守恒定律”，它充分反映了物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性。質(zhì)能方程說(shuō)明，質(zhì)量和能量是不可分割而聯(lián)系著的.一方面，任何物質(zhì)系統(tǒng)既可用質(zhì)量m來(lái)標(biāo)志它的數(shù)量，也可用能量E來(lái)標(biāo)志它的數(shù)量；另一方面，一個(gè)系統(tǒng)的能量減少時(shí)，其質(zhì)量也相應(yīng)減少，另一個(gè)系統(tǒng)接受而增加了能量時(shí)，其質(zhì)量也相應(yīng)地增加.
愛(ài)因斯坦從力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，考慮兩個(gè)球體的彈性碰撞，利用動(dòng)量守恒定理和相對(duì)論速度相加定理能夠?qū)С鲋馁|(zhì)速度公式

該式說(shuō)明，物體的質(zhì)量不再是與其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)的量，它依賴于物體的運(yùn)動(dòng)速度。運(yùn)動(dòng)物體速度為v時(shí)的質(zhì)量為 ，式中m0為物體的靜質(zhì)量，當(dāng)物體的速度趨于光速時(shí)，物體的質(zhì)量趨于無(wú)窮大。
第四，經(jīng)典力學(xué)定律只適用于宏觀低速世界，對(duì)于可與光速相比的高速情況和微觀世界的適用問(wèn)題，當(dāng)時(shí)沒(méi)有涉及也不可能涉及。
第五，經(jīng)典物理學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的潛在矛盾
在經(jīng)典物理學(xué)中，最難使人滿意之處恐怕莫過(guò)于對(duì)光的描述了。如果微粒說(shuō)是正確的，那么人們不禁要問(wèn)，當(dāng)光被吸收的時(shí)候，組成光的粒子變成了什么呢？而且為了既表示可稱量物質(zhì)又表示光，必須在討論中引入不同的實(shí)體，這無(wú)論如何也不能使人心安理得。
同樣，納入力學(xué)框架中的光的波動(dòng)論也難以自圓其說(shuō)。按照波動(dòng)論，光被解釋為充滿宇宙空間的以太的振動(dòng)。由于光是橫波，因此以太必須具有承受切應(yīng)力而不承受壓應(yīng)力的能力，又由于以太對(duì)可稱量物質(zhì)并不產(chǎn)生可觀察到的阻力，它又必須具有極小的密度。為此，人們絞盡腦汁，臆想出種種以太模型。這種無(wú)所不能、無(wú)奇不有的以太反倒使人如墮五里霧中。
經(jīng)典力學(xué)的基本概念和基本原理在熱力學(xué)中也遇到了一些麻煩。1865年，克勞修斯確立了熱力學(xué)第二定律，該定律揭示出與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過(guò)程具有不可逆性。在經(jīng)典力學(xué)中，從來(lái)也未發(fā)現(xiàn)類似的情況，力學(xué)過(guò)程的可逆性是由普遍的力學(xué)原理做保證的。可是熱力學(xué)第二定律也是普遍成立的，因此，這個(gè)矛盾是無(wú)法用力學(xué)的基本觀念予以解釋的。
三、總結(jié)
牛頓用自己畢生的精力，建起了一座科學(xué)豐碑，他的研究推動(dòng)了人類文明的進(jìn)程，它在宏觀物理學(xué)的各方面所取得的成就就是極其廣泛和輝煌的。然而創(chuàng)造歷史的人們總是不可避免地要受到歷史的制約，牛頓當(dāng)然也不例外。由于受到時(shí)代的局限，牛頓在否定亞里士多德以來(lái)有關(guān)錯(cuò)誤論述和含糊概念、創(chuàng)立牛頓力學(xué)的同時(shí)，也在其中隱含了自我否定的潛在因素。誠(chéng)如恩格斯所說(shuō)的：“凡在人類歷史領(lǐng)域中是現(xiàn)實(shí)的，隨著時(shí)間的推移，都會(huì)成為不合理的；因而按其本性來(lái)說(shuō)已經(jīng)是不合理的，一開始就包含著不合理性”。(《馬克思恩格斯選集》第四卷)
由于牛頓盡力把他的體系表現(xiàn)為由經(jīng)驗(yàn)必然性所決定的，特別是由于經(jīng)典力學(xué)在實(shí)踐上的巨大成就，足以阻礙后人去思考那些基本概念和基本原理的先驗(yàn)特征，以至于在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，無(wú)論誰(shuí)也沒(méi)有想到，整個(gè)物理學(xué)的基礎(chǔ)可能需要從根本上加以改造。事實(shí)上，物理學(xué)在每一個(gè)歷史時(shí)期都有它自己的基本概念和基本原理，而繼后的時(shí)期人們又往往夸大它們的作用，不適當(dāng)?shù)匕阉鼈冋`用到其所能及的范圍之外。為了消除這種誤用，每—個(gè)歷史時(shí)期都需要一種新的啟蒙，正是這種永不止息的啟蒙精神，才使科學(xué)不致變?yōu)榻┗慕虠l。
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