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4-4 能量的其他形式

我们可以继续以这种方法来说明能量还以其他的形式存在。首先考虑弹性能。假如我们拉伸弹簧,就必须做一些功,因为拉伸时,可以提起重物,所以弹簧在伸长的情况下具有做功的可能性。假如我们求出重量与高度的乘积之和,那将与总能量不符——我们必须加上另外的一些东西来说明弹簧处于拉紧状态这一事实。弹性能就是关于弹簧被拉伸时这个事实的表述,它有多大呢?假如我们释放弹簧,那么弹簧经过平衡点时,弹性能就转变为动能,能量就在弹簧的伸长、压缩和动能之间来回变换(这里也有一些重力势能的增减,但是如果我们愿意的话,可以使实验“平着”做)。弹簧将一直来回振动,直到能量失掉为止……啊哈!前面我们已经在整个过程中玩了一点小小的手法——如加上一些小重物使物体运动,或者说机械是可逆的,它们可以永远运动下去等。但是,我们可以看到这些东西最终都要停下来的。当弹簧不再上下振动时,能量到哪里去了呢?这就引进了另一种形式的能量: 热能

在弹簧或杠杆里有着由大量原子组成的晶体。在极其仔细和精致地安排了机械的各个组成部分后,人们可以试着使事情调整得当某个东西在另一个东西上滚动时,根本没有一个原子会作任何跳动。但是我们必须非常小心。通常在机器运转时,由于材料本身的缺陷,会产生撞击和跳动,材料中的原子就开始无规则地摆动。于是那部分能量失踪了,但我们却发现机械运动减慢后,材料中的原子正以杂乱无章的方式摆动着。不错,这里仍然有动能,但是它与看得见的运动没有联系。多么奇怪!我们何以 知道 这里仍然有动能呢?我们发现,从温度计上可以看出,事实上弹簧或杠杆 变热 了,所以动能确实有了一定数量的增加。我们称这种形式的能量为 热能 。但是我们知道这实在并不是一种新的形式,它就是内部运动的动能(我们在宏观范围内对物质所做的一切实验中都有一个困难,即不能真正演示出能量守恒,也不能实际制成可逆机,因为每当我们使大块材料运动时,原子不会绝对不受扰动,所以总有一定量的无规则运动进入原子系统。我们无法用眼睛看出这一点,但是可以用温度计或其他方式测量出来)。

还有许多其他形式的能量,当然,眼下不可能对它们叙述得更多更详细。这里有电能,它与电荷的吸引和排斥有关;也存在着一种辐射能,即光能,我们知道它是电能的一种,因为光可以表示为电磁场的振动;还有化学能——在化学反应中释放的能,它是原子彼此间相互吸引的能量。弹性能也是如此,所以实际上,弹性能在一定程度上就像化学能。我们目前对化学能的理解是,化学能可分为两部分:首先是原子内电子的动能,所以化学能的一部分是动能,其余一部分是电子和质子的相互作用所产生的电能。接下去我们来考虑核能,它涉及原子核内的粒子的排列。我们有核能的公式,但是没有掌握基本的定律。我们知道它不是电能,不是重力能,也不纯粹是化学能,还不知道它究竟是什么。看来这是另外的一种能量形式。最后,存在着一个与相对论有关的对动能定律的修正(或者随便哪一种你喜欢用的说法),也就是说动能与另一种称为 质能 的东西结合在一起。一个物体由于它的纯粹的存在就有能量产生。假如有一个静止的电子和一个静止的正电子起先稳定地搁置着而不发生任何作用——既不去考虑引力效应,也不去考虑其他,然后当它们碰在一起时就会湮没,并释放出一定量的辐射能,它是可以计算的。为此我们需要知道的只是物体的质量,而与究竟是什么物体无关。两个粒子消失后,就产生了一定的能量。爱因斯坦首先找到了计算公式,即 E mc 2

从我们的讨论中可以很明显地看到,在进行分析时,能量守恒定律是极其有用的。我们已经在几个例子中表明了这一点,在那些例子中并没有知道所有的公式。假如我们有了各种能量的公式,那么无需深入细节就能分析出有多少过程应当会发生,所以守恒定律是非常有趣的。由此很自然会产生一个问题:在物理学中还有哪些其他守恒定律?有另外两条守恒定律是与能量守恒定律类似的,一条称为线动量守恒,另一条称为角动量守恒,关于这方面我们会在以后知道得更多。归根到底,我们并没有深刻地理解守恒定律。我们不理解能量守恒。我们并不认为能量是一定数量的颗粒物。你们也许听说过光子是以一个个的颗粒形式出现的,一个光子的能量是普朗克常数乘以频率。这是正确的。但由于光的频率可以是任意的,所以没有哪条定律断言能量必须是某种确定的数值。与丹尼斯的积木不同,能量的数值可以是任意的,至少今天的理解是如此。所以在目前我们并不把能量理解为对某种东西的计数,而只是看作一种数学的量。这是一种抽象而又十分奇怪的情况。在量子力学中,我们知道能量守恒与自然界的一个重要性质——事物不依赖于绝对时间——有十分密切的关系。我们可以在一个给定的时刻安排一个实验,并且完成它,然后在晚一些的时候再做同样的实验,那么实验的情形将完全是相同的。但这是否严格正确,我们并不知道。如果我们假设它是正确的,再加上量子力学的原理,我们就可以推导出能量守恒定律,这是一件相当微妙和有趣的事,不容易加以解释。其他的守恒定律也有连带的关系。动量守恒定律在量子力学中与一个命题有关,即无论你在 哪里 做实验都不会造成什么差别,结果总是同样的。最后,像空间上的无关性与动量守恒相联系、时间上的无关性与能量守恒相联系一样,假如我们 转动 仪器的话,这也不会造成任何差别,所以宇宙世界在角度取向上的不变性与 动量守恒 相关。此外,还有三条其他的守恒定律。迄今为止我们可以说,这些定律是精确的。它们要容易理解得多,因为在本质上它们是属于清点积木一类的事。

这三条守恒定律中的第一条是电荷守恒定律,这只是意味着,数一下你有多少正电荷,多少负电荷,将正电荷的数量减去负电荷的数量,那么这个结果将永远不会改变。你们可以用一个负电荷抵消一个正电荷,但是你们不可能创造任何正电荷对负电荷的净余额。另外两条守恒定律与这一条相类似。一条称为 重子的守恒 。存在着一些奇异粒子,例如中子和质子,它们称为重子。在任何自然界的反应中,假如我们数一下有多少重子进入一个反应,那么在反应结束时出去的重子 的数量将完全相同。还有一条是轻子守恒定律。我们可以举出称为轻子的一群粒子:电子,μ子和中微子,还有一个电子的反粒子,即正电子(轻子数为-1)。在一个反应中对轻子的总数进行计数将揭示出这个事实:进入的数量与出去的数量决不会改变,至少就今天所知就是如此。

这就是六条守恒定律,其中三条是微妙的,与空间和时间有关,另外三条从对某种东西进行计数的意义上说是简单的。

关于能量守恒,我们应当指出,可资利用的能量是另一回事——在海水中的原子进行着大量的晃动,因为海水具有一定的温度,但是如果不从别处取得能量,就不可能使原子都按一个确定的方向运动。这就是说:虽然我们知道能量确实守恒,但是可供人类利用的能量并不那么易于保存。确定究竟有多少能量可供利用的那些定律称为 热力学定律 ,它们包括着一个称为熵的有关不可逆热力学过程的概念。

最后,我们提一下这个问题:今天我们可以从哪里获得能量?我们的能量来源是太阳、雨水、煤、铀以及氢。太阳形成了降雨,也造成了煤矿,所以所有这些都起源于太阳。虽然能量是守恒的,但看来大自然对此并无兴趣,她使太阳释放了大量的能量,但其中只有二十亿分之一到达地球。大自然保存着能量,不过实际上并不关心这一点,它让巨大数量的能量向四面八方散布开去。我们已经从铀中得到能量,从氢中也能得到能量,但是,现在只是在爆炸的危险的条件下才得到这些能量。假如可以在热核反应中控制它,那么每秒钟从10 qt水中得到的能量就等于整个美国每秒钟所发的电量,每分钟用150 gal的水,就会使你们有足够的燃料来供应今天在整个美国所需要使用的能量!所以,怎样想出一些办法使我们从对能量的需要中解放出来就成为物理学家的责任。无疑,这是可以达到的目标。 vhCpXgLsAhMm/mVXGixG37FeOLldv1AZiZJxvP9LmWzVD2Ho17J4p1UBTRHWwAS0

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