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第二十五章    科學常識與科學前沿問題

第一節  科學常識

一、能量守恒定律

能量和物質一樣，都是自然界的一種普遍存在，其中熱、電磁、光等現象和機械運動等，都是能量的不同形式，它們可以相互轉化，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動的宏觀表現，固體的熱傳導是物質原子在平衡位置附近機械振動時的能量傳遞，熱輻射是物體內部帶電粒子熱運動時引起的電磁輻射。人們研究了熱和其他能量之間的轉換，發現了能量守恒定律。

在歷史上，焦耳通過實驗發現了熱功當量和電流的熱效應。隨之開爾文給出了熱力學第一定律的數學公式。這一定律表明，熱力學系統如不吸收外部熱量卻對外做功，就必須消耗內能。由于熱力學第一定律所表示的關系可推廣到電磁、化學等形式的能量轉化過程中，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內能，卻可以不停做功的永動機。

在卡諾研究蒸汽機效率的基礎上，克勞修斯提出，熱不可能獨立地、沒有補償地從低溫物體傳向高溫物體；在一個孤立系統內，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，使之完全變為有用功而不產生其他影響。這兩種表述包含的共同結論是：熱機不可能把從高溫熱源中吸收的熱量全部轉化為有用功，總要把一部分傳給低溫熱源。這個定律被稱為熱力學第二定律。根據這個定律，任何熱機的效率都不可能達到100％。根據熱力學第二定律，人類也不可能造出違背熱力學第二定律的永動機，這又稱為第二類永動機。

二、電磁理論

近代科學家發現磁極之間的斥力遵循平方反比定律，發明了儲存電荷的萊頓瓶。庫侖在此基礎上發現：兩個點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，作用力在兩點連線上。庫侖定律形式上同萬有引力定律相同。伽伐尼發表了《論肌肉運動中的電作用》一文，伏特對此作出了正確解釋，發現了電流，并發明了最早的電池，導致了電學研究的

革命。奧斯特在做物理實驗時偶然發現電可以轉化為磁。法拉第、亨利則發現：磁也可以轉化為電，即電磁感應現象。

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，以及電轉化為磁、磁轉化為電所滿足的數學關系，并導出電磁場的波動方程，還預言了電磁波的存在，指出光是電磁波。他的理論成為描述電磁運動的基本理論。

在此基礎上，愛因斯坦提出，物體運動速度趨近光速時，質量會趨向無窮大(質一速關系式)。電子運動實驗證實了這一點。愛因斯坦還提出了質能關系式。質能關系式表明，物質的質量的變化往往伴隨著能量的變化，質量的虧損伴隨著巨大能量的產生。愛因斯坦關于物質和能量之間可以相互聯系的理論，在20世紀就已經得到了原子核物理學實驗的驗證。

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

根據等效原理，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，在一個加速系統中所看到的運動與存在引力場的慣性系統中所看到的運動完全相同。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。根據廣義協變原理，無論在慣性系中還是在非慣性系中，物理規律都有相同的數學形式。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。

根據廣義相對論，時空的性質不但取決于物質的運動，而且也取決于物質在空間的幾何分布。物質和運動在決定時空性質方面有等價性。在引力場中，空間不再平直，而是彎曲的。物質密度高的地方引力場強度大，時空也彎曲得厲害，其中時間的彎曲是指時間流逝的節奏。

根據牛頓的理論，月球圍繞地球運動的軌道是一個橢圓，維持這種運動的是萬有引力。根據愛因斯坦的理論，由于地球的質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動而已。“物質告訴時空怎樣彎曲，時空告訴物質怎樣運動。”物質、運動和時空三者之間有不解之緣。相對論不但引起了物理學革命，也深刻影響了人類的時空觀。

四、量子力學

量子力學描述了微觀粒子的運動規律。根據麥克斯韋的理論，電磁波和其他波一樣，能量是連續分布的。1900年，普朗克提出，電磁波的吸收和輻射的能量是不連續的，其最小單元稱為光量子。愛因斯坦在解釋光電效應實驗時提出，光能轉化為電子能量時，其轉化值也不是連續的能量，而表現為“粒子”的行為，被稱為光子。人們認識到：光具有波粒二象性，光子的能量與光波的頻率聯系在一起，光在傳播過程中表現為波動，在同物質相互作用的過程中表現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、質子、中子等粒子有波動性。隨著原子核物理學的發展，質子、中子、原子、分子的波動性都被證實，波動性是物質粒子普遍具有的基本性質。

原子軌道內電子的運動狀況很難觀測，但原子光譜線的頻率和強度可觀測。海森堡從可觀測的原子光譜線的頻率和強度出發，建立了量子力學的一種數學表達式_矩陣力學。薛定諤提出了波函數的概念，給出描述物質波的運動方程，建立了量子力學的又一種數學形式——波動力學。薛定諤方程應用較為廣泛。薛定諤還證明了矩陣力學與波動力學的等價性。根據玻恩對波函數的統計解釋：粒子波函數在空間某點的強度(振幅的平方)與粒子在該處出現的幾率成正比，物質波是一種幾率波。電子衍射實驗說明，幾率波就是大量電子運動的統計結果，對單個電子，波函數所表示的只是電子出現的幾率。

海森堡深刻研究微觀粒子的波粒二象性后，發現微觀粒子不能同時存在動量和位置的精確的數值(在牛頓力學中，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，海森堡稱之為“不確定關系”。因為“不確定關系”往往是通過測量才顯現出來的，所以，在我國有人也將其譯作“測不準關系”。

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