關于力學的經典論文 轉貼

經典與時代的批判
----------經典力學的成就與局限性
摘要：論述經典力學的成就，批判經典力學的絕對時間、絕對空間、引力本質、質量不變等觀點，說明其應用范圍及其與經典物理學的矛盾。
關鍵詞：空間 時間 引力的本質 質量 速度 能量 矛盾
一、經典力學的成就
經典力學的理論體系是以牛頓運動三定律為基礎的。牛頓系統地總結了伽利略、開普勒和惠更斯等人的工作，得到了萬有引力定律和牛頓運動三定律，于 1687年出版了《自然哲學數學原理》。這是牛頓的一部代表作，也是力學的一部經典著作。牛頓在這部書中，從力學的基本概念(質量、動量、慣性、力等)和基本定律(運動三定律)出發，運用他所發明的微積分這一銳利的數學工具，建立了經典力學的完整而嚴密的體系，把天體力學和地面上的物體的力學統一起來，這是物理學史上第一次大的綜合。所以，牛頓的《自然哲學數學原理》的出版，標志著經典力學體系的建立。這對科學發展的進程以及后代科學家們的思維方式產生了極其深刻的影響。牛頓力學的建立標志著近代理論自然科學的誕生，并成為其他各門自然科學的典范。
二、經典力學的局限性
創造歷史的人們總是不可避免地要受到歷史的制約，牛頓當然也不例外。由于受到時代的局限，牛頓創立的經典力學的基本概念和基本原理存在著固有的局限性，主要表現在以下幾個方面：
第一，引入了絕對時間、絕對空間等基本概念。按照牛頓的說法，絕對的、真正的和數學的時間自身在流逝著，而且由于其本性而均勻地、與任何其他外界事物無關地流逝著。絕對空間就其本性而言，是與任何外界事物無關而永遠是相同的和不動的。絕對運動是一個物體從某一絕對的處所向另一絕對的處所的移動。
萊布尼茲、貝克萊、馬赫等先后都對絕對空間、時間觀念提出過有價值的異議，指出過，沒有證據能表明牛頓絕對空間的存在。愛因斯坦推廣了上述的相對性原理，提出狹義相對論。在狹義相對論中，長度和時間間隔也變成相對量，運動的尺相對于靜止的尺變短，運動的鐘相對于靜止的鐘變慢。在廣義相對論中，時空的性質不是與物體運動無關的：一方面，物體運動的性質要決定于用怎樣的空間時間參照系來描寫它另一方面時空的性質也決定于物體及其運動本身。
量子論的發展，對時間概念提出了更根本的問題。量子論的結論之一就是：對于一個體系在過去可能存在于什么狀態的判斷結果，要決定于在現今的測量中做怎樣的選擇。這種現在與過去之間的相互關系，是與因果順序概念十分不同的，暗含于時間概念中的因果序列要求過去的存在應是不依賴現在的。
因此，用時間來描述事件發生的順序，可能并不總是合用的?？臻g與時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，牛頓雖然對引力的本質持審慎態度，但最終還是對它作了抽象的、純粹數學形式的概括，把它實際看作是一種直接的、即時傳遞的超距作用力。
愛因斯坦的廣義相對論對萬有引力做出一種解釋，就是時空本身是有彈性的，可以彎曲、伸展。當一個有質量的物體置于某一空間時，空間就會彎曲變形，質量越大，空間彎曲變形就越嚴重。那么，空間為什么會在有質量的物體周圍彎曲呢？愛因斯坦也沒能給出答案。所以，愛因斯坦的彎曲空間理論也沒有說明引力的本質是什么。量子力學關于電荷間的電磁力和強子間的強相互作用力的傳遞原理的解釋也沒有說明引力的本質是什么。認為引力是通過引力場或引力子來傳遞的觀點也未得到肯定，因為，至今科學家也沒有找到傳遞萬有引力作用的引力子。
第三、 在經典力學中物體的質量是恒定不變的，它與物體的速度或能量無關。
在相對論中質量這一概念的外延就被大大地擴展了。.愛因斯坦著名的質能方程E=mc2使到原來在經典力學中彼此獨立的質量守恒和能量守恒定律結合起來，成了統一的“質能守恒定律”，它充分反映了物質和運動的統一性。質能方程說明，質量和能量是不可分割而聯系著的.一方面，任何物質系統既可用質量m來標志它的數量，也可用能量E來標志它的數量；另一方面，一個系統的能量減少時，其質量也相應減少，另一個系統接受而增加了能量時，其質量也相應地增加.
愛因斯坦從力學的觀點出發，考慮兩個球體的彈性碰撞，利用動量守恒定理和相對論速度相加定理能夠導出著名的質速度公式

該式說明，物體的質量不再是與其運動狀態無關的量，它依賴于物體的運動速度。運動物體速度為v時的質量為 ，式中m0為物體的靜質量，當物體的速度趨于光速時，物體的質量趨于無窮大。
第四，經典力學定律只適用于宏觀低速世界，對于可與光速相比的高速情況和微觀世界的適用問題，當時沒有涉及也不可能涉及。
第五，經典物理學與經典力學的潛在矛盾
在經典物理學中，最難使人滿意之處恐怕莫過于對光的描述了。如果微粒說是正確的，那么人們不禁要問，當光被吸收的時候，組成光的粒子變成了什么呢？而且為了既表示可稱量物質又表示光，必須在討論中引入不同的實體，這無論如何也不能使人心安理得。
同樣，納入力學框架中的光的波動論也難以自圓其說。按照波動論，光被解釋為充滿宇宙空間的以太的振動。由于光是橫波，因此以太必須具有承受切應力而不承受壓應力的能力，又由于以太對可稱量物質并不產生可觀察到的阻力，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。這種無所不能、無奇不有的以太反倒使人如墮五里霧中。
經典力學的基本概念和基本原理在熱力學中也遇到了一些麻煩。1865年，克勞修斯確立了熱力學第二定律，該定律揭示出與熱現象有關的物理過程具有不可逆性。在經典力學中，從來也未發現類似的情況，力學過程的可逆性是由普遍的力學原理做保證的?？墒菬崃W第二定律也是普遍成立的，因此，這個矛盾是無法用力學的基本觀念予以解釋的。
三、總結
牛頓用自己畢生的精力，建起了一座科學豐碑，他的研究推動了人類文明的進程，它在宏觀物理學的各方面所取得的成就就是極其廣泛和輝煌的。然而創造歷史的人們總是不可避免地要受到歷史的制約，牛頓當然也不例外。由于受到時代的局限，牛頓在否定亞里士多德以來有關錯誤論述和含糊概念、創立牛頓力學的同時，也在其中隱含了自我否定的潛在因素。誠如恩格斯所說的：“凡在人類歷史領域中是現實的，隨著時間的推移，都會成為不合理的；因而按其本性來說已經是不合理的，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為由經驗必然性所決定的，特別是由于經典力學在實踐上的巨大成就，足以阻礙后人去思考那些基本概念和基本原理的先驗特征，以至于在相當長的時期內，無論誰也沒有想到，整個物理學的基礎可能需要從根本上加以改造。事實上，物理學在每一個歷史時期都有它自己的基本概念和基本原理，而繼后的時期人們又往往夸大它們的作用，不適當地把它們誤用到其所能及的范圍之外。為了消除這種誤用，每—個歷史時期都需要一種新的啟蒙，正是這種永不止息的啟蒙精神，才使科學不致變為僵化的教條。
參考文獻：
[1]經典場論 張啟仁著 北京：科學出版社，2003
[2]量子力學 井孝功著 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2004
[3]空間：從相對論到M理論的歷史 關洪著 北京：清華大學出版社，2004
[4]時間 保羅?貝內特著；蘇福忠譯 上海：上海人民美術出版社，2003
[5]狹義相對論 G.司蒂文遜；C.W.凱爾密司特 上海：上海科學技術出版社，1963
[6]相對論導引 趙展岳著 北京：清華大學出版社，2002
[7]熱力學 王竹溪著 北京：北京大學出版社，2005
[8]物理學史 郭奕玲，沈慧君編著 北京：清華大學出版社，1993
[9]大學物理．下 鐘江帆主編 北京：高等教育出版社，2004