下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
讲完对事物的一般性描述后，从这一章起，我们开始比较详细地研究物理学中各个方面的问题。为了说明理论物理学中可能用到的概念和推理的类型，我们现在来考察能量守恒定律，它是物理学最基本的定律之一。
有一个事实，如果你愿意的话，也可以说一条定律，支配着至今我们所知道的一切自然现象。没有发现这条定律有什么例外——就我们所知，它是完全正确的。这条定律称为 能 量守恒定律 。它指出，在自然界所经历的种种变化之中，有一个称为能量的物理量是不变的。那是一个最抽象的概念，因为它是一种数学原理，说的是在某种情况发生时，有一个数量是不变的。它并不是一种对机制或者具体事物的描写，而只是一件奇怪的事实。起先我们可以计算某种数值，当我们看完了大自然耍弄的技巧表演后，再计算一次数值，其结果是相同的（有点类似于在红方格中的象，移动了几步后——具体步骤并不清楚——它仍然在某个红方格里。我们这条定律就是这种类型的定律）。由于这是一种抽象的概念，我们将用一个比喻来说明它的含义。
设想有一个孩子，或许就叫他“淘气的丹尼斯（Dennis）”，他有一堆积木，这些积木是绝对不会损坏的，也不能分成更小的东西。每一块都和其余的相同。让我们假定他共有28块积木。每天早上他的母亲把他连同28块积木一起留在一个房间里。到了晚上，母亲出于好奇心很仔细地点了积木的数目，于是发现了一条关于现象的规律——无论丹尼斯怎样玩积木，积木数目仍然是28块！这种情况继续了好几天。直到有一天她发现，积木只有27块了，但是稍许调查一下就发现在地毯下面还有一块——为了确信积木的总数没有改变，她必须到处留神。然而，某一天积木的数目看来有些变化，只有26块了！仔细的调查表明：窗户已经打开，再朝窗外一看，就发现了另外的两块积木。又有一天，经过仔细的清点表明总共有30块积木！这使她相当惊愕。以后才了解到有个叫布鲁斯（Bruce）的孩子曾带着他的积木来玩过，并留下了几块在丹尼斯的房间里。自从丹尼斯的母亲拿走了多余的积木，把窗关上，并且不再让布鲁斯进来以后，一切都归正常，直到有一次，她清点时发现只有25块积木。然而，在房间里有一个玩具箱，母亲走过去要打开这个箱子，但是孩子大声叫喊道：“不，别打开我的箱子”，不让她打开玩具箱。这时他母亲十分好奇，也比较机灵，她想出了一种办法，她知道一块积木重3 oz，有一次当她看到积木有28块时曾经称过箱子的重量为16 oz，这一次她想核对一下，就重新称一下箱子的重量，然后减去16 oz，再除以3，于是就发现了以下的式子
接着，又好像出现了某种新的偏差，但是仔细的研究又表明，浴缸里脏水的高度发生了变化，孩子正在把积木扔到水里去，只是她看不见这些积木，因为水很混浊，不过在她的公式里再添上一项她就可以查明在水中有几块积木了。由于水的高度原来是6 in，每一块积木会使水升高1／4 in，因而这个新的公式将是
在她的这个复杂性逐渐增加的世界里，她发现了用一系列的项来计算积木的方法，这些积木藏在不准她去看的那些地方。结果，她得出了一个 用于计算某个量 的复杂公式，无论孩子怎样玩耍，这个量总是不变的。
这件事情和能量守恒有什么相似的地方呢？抽象地说，必须从这个图像中除去的最显著的一点就是， 根本没有积木 。在式（4．1）及式（4．2）中取走第一项，我们就会发现自己是在计算多少是有点抽象的东西。上述比较的相似之处在于以下几点。第一，当我们计算能量时，有时其中的一部分离开系统跑掉了，有时又有另一些能量进入这个系统。为了验证能量的守恒，必须注意我们没有把能量引入系统中或从系统中取走。第二，能量有许多 不同的形 式 ，对每一种形式都有一个公式。这些不同形式的能量是：引力能、动能、热能、弹性能、电能、化学能、辐射能、核能、质能。假如我们把表示这些能量的公式全都加在一起，那么，除非有能量逸出或有其他能量加入，否则其总和是不会改变的。
重要的是要认识到：在今天的物理学中，我们不知道能量究竟 是 什么。我们并不把能量想象成为以一定数量的颗粒物形式出现。它不是那样的。可是有一些公式可以用来计算某种数量，当我们把这些数量全部加在一起时，结果就是“28”——总是同一个数目。这是一个抽象的对象，它一点也没有告诉我们各个公式的机制或者 理由 是什么。