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4-4 能量的其他形式

我们可以继续用这个办法说明能量还以其他的形式存在。首先考虑弹性能。如果我们把一根弹簧往下拉,我们必须做一些功,因为我们把它拉下来之后,就可以用它将重物拉到高处去。因此弹簧在被拉伸的状态下具有做功的本领。如果这时我们来计算重量乘高度之和,是不能验证它们不变的——我们必须加进一些别的项以考虑弹簧是处于紧张状态的事实。弹性能就是弹簧处于被拉伸状态的能量。它有多大?如果我们放开它,在弹簧经过平衡点时,弹性能就变换为动能,能量在弹簧的压缩和伸长与运动的动能之间来回变换。(这里也有一些重力势能进出,不过只要我们愿意,我们可以让弹簧平躺着做实验。)它一直这样往复振动,直到能量损失——啊!我们前面一直在玩一个小花招,说什么加一个微小的重量使物体动起来,或者机器是可逆的,或它们永远运动下去等,但是我们能够看到,这些东西最终都要停下来。当弹簧不再上下振动时,能量到哪里去了呢?这就引入了能量的另一种形式:热能。

在弹簧和杠杆内部有由大量原子组成的晶体。你可以试着以极度的细心和技巧安排各种部件来进行调整,使得当一个东西在另一个东西上滚动时,原子不做任何晃动。但是这必须非常、非常细心。通常当一个东西滚动时,由于材料的不规则性,都会发生撞击和跳动,原子就开始在内部乱动。于是那部分能量就失踪了;我们发现在运动慢下来以后原子在内部以随机和混乱的方式乱动。不错,这时仍然有动能,但是它不是和看得见的运动相联系。似乎全是些梦话!我们怎么知道这时还有动能?原来,用温度计你可以发现,弹簧或杠杆事实上比以前更热了,这确实表明动能有一定数量的增加。我们把这种形式的能量叫做热能,不过我们知道其实它并不是一种新形式,它就是动能——内部运动的动能。(我们在大尺度上对物质所做的一切实验都有一个困难,即不能真正演示能量守恒,不能实际做出可逆机,因为我们每次使一大块材料运动,原子都不会绝对不受扰动,因此总会有一定数量的无规运动进入原子系统。我们看不见它,但是我们可以用温度计等测出它。)

能量还有许多别的形式,当然,眼下还不能对它们做更详细的描述。这包括电能,它同电荷的排斥和吸引有关。还有辐射能,光的能量,我们知道它是电能的一个形式,因为光可以表示为电磁场的振动。还有化学能,化学反应中释放出的能量。化学能是物质中原子相互吸引的能量,弹性能也是如此,因此,弹性能实际上在某些方面和化学能相像。现在的理解是,化学能包括两部分,一是原子内部电子的动能,因此化学能的一部分是动能,其余的是电子和质子相互作用的电能,因此另一部分是电能。接下来该是核能了,与原子核内的粒子的安置有关的能量,我们有核能的公式,但是我们不掌握它的基本定律。我们知道它不是电能,不是引力能,也不单纯是化学能,但是我们不知道它究竟是什么。看来它是一种新的能量形式。最后,与相对论相联系,有一个对动能公式的修正(你也可以用你喜欢的任何别的说法来称呼它),使动能和另一个叫做质能的东西结合在一起。一个物体仅仅由于它存在就具有能量。如果有一个正电子和一个电子,静静地呆着什么也不做,不必考虑重力,不必考虑别的东西,然后它们走到一起就消失了,释放出一定量的辐射能,其数量是可以算出来的。我们需要知道的只是物体的质量。它与物体是什么无关——我们使两个粒子消失,而得到一定量的能量。它的公式是爱因斯坦首先发现的: E = mc 2

从我们的讨论明显看出,能量守恒定律对我们分析问题是极其有用的,这在前面几个例子中已经表明了,在这些例子中用不着知道一切公式。如果我们已经有了各种能量的公式,我们就可以分析哪些过程会发生而不必深入探究细节。所以我们对守恒定律是非常感兴趣的。问题自然就来了:在物理学中还有哪些别的守恒定律?还有另外两条与能量守恒相似的守恒定律。一条叫做动量守恒,另一条叫做角动量守恒。后面对它们会有更多的讨论。归根结底,我们并没有对守恒定律有深刻的理解。我们不理解能量守恒。我们并不把能量理解为一定大小的小团。你可能听说过,光子是以小团的形式出现,一个光子的能量是普朗克常量乘频率。这是对的,但是由于光的频率可以是任意值,没有任何定律说能量必须是某个确定的大小。不像丹尼斯的积木,能量可以有任何量值,至少今天是这样理解的。因此目前我们并不把能量理解为对某种东西点数,而只是把它看作一个数学量,它是一个抽象和相当古怪的东西。在量子力学里,发现能量守恒原来和世界的另一个重要属性有十分紧密的联系,这个属性就是事物不依赖于绝对时间。我们可以在一个给定时刻安排做一个实验并且做完它,然后在晚些时候再做相同的实验,它们的结果将完全相同。这是否严格正确,我们还不知道。如果我们假定它正确,加上量子力学的一些原理,我们就可以导出能量守恒定律。这是一件相当微妙和有趣的事,不容易解释。别的守恒定律也与时空性质有联系。动量守恒在量子力学中是和下述命题相联系的:在什么地方做实验没有什么关系,结果总是相同。最后,就像空间无关性与动量守恒相联系、时间无关性与能量守恒相联系一样,如果我们转动实验仪器的方向,也不会造成实验结果的差别,世界对角度取向的这种不变性与角动量守恒相联系。除了这几条守恒定律之外,还有另外三条守恒定律,迄今为止我们可以说它们是精确的。这三条守恒定律理解起来要简单得多,因为它们的本性属于数积木那一类。

这三条守恒定律的第一条是电荷守恒定律,它的意义只不过是,数一下有多少个正电荷和负电荷,将正电荷的数目减去负电荷的数目,结果的数字永远不变。你可以用一个负电荷抵消一个正电荷,但是你不能生成正电荷对负电荷的净余额。另外两条定律和这一条类似,其中一条叫做重子数守恒。有一些奇怪的粒子,例如中子和质子,它们叫做重子。在自然界的任何反应中,如果数一数有多少个重子进入一个过程,那么过程结束时的重子的数目 将相同。另一条守恒律是轻子数守恒。属于轻子的粒子是电子、μ子和中微子。还有一个电子的反粒子,即正电子,其轻子数为-1。数一数参加一个反应的轻子的总数,表明反应开始前和结束后的数目不变,至少迄今所知是这样。

这就是六条守恒定律,其中三条是微妙的,涉及空间和时间,另外三条是简单的——从它们只是对某种东西计数的意义上说。

关于能量守恒,应当指出的是,可用的能量是另一个问题——海水的原子有大量的振动,因为海水有一定的温度,但是如果不从别的什么地方取得能量,就不能把它们聚集为一个确定方向的运动。这就是说,虽然我们知道能量是守恒的,但是人类可以利用的能量却不是那么容易保存。确定有多少能量可供利用的定律叫做热力学定律,它们包括一个关于不可逆热力学过程的概念,叫做熵。

最后,我们说一说今天我们可以从哪里获得能量供应的问题。我们的能量来源是太阳、雨水、煤、铀和氢。雨水是太阳造成的,煤也是,因此所有这些都来自太阳。虽然能量是守恒的,但是大自然似乎对节约能量并不感兴趣;她从太阳释放出大量的能量,但是其中只有二十亿分之一落到地球上。大自然有能量守恒,但是并不真正在乎它;她向四面八方散发着巨大数量的能量。我们已经从铀获得了能量;我们也可以从氢得到能量,不过现在还只是在爆炸和危险的条件下。如果它可以在热核反应中受到控制,那么可以证明,每秒从大约10升水中得到的能量就等于整个美国的发电功率,也就是说,每分钟用600升水,就有了足够的燃料来供应今天美国所用的全部电能!因此,该由物理学家想办法,把我们从对能量的需要中解放出来。这是可以做到的。 kzRCEdCrubc4+zoVGKQXbf68tjy401z/CuQO3w1vZPuAEzanxDI2xcER1G+/j1b0

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