AL123 人文社科会员免费专区文学 2022-09-15

下落小猫与基础物理学_AZW3_MOBI_EPUB_[美]格雷戈里·J.格布尔

内容节选

05 不停地转啊转在1700年帕朗的工作和1894年马雷的照片之间的某个时间，落猫问题已经从基础物理学课本中已解决的问题变成了一个“科学悖论”。但这两百年间，物理学也发生了巨大的变化。现在，物理学的定义不仅包括“哪些物理过程是可能发生的”，也包括“哪些物理过程是不可能发生的”。这些变化的关键是守恒定律的发现和广泛认识，守恒定律表明，在一个孤立的系统中某些物理量是不能改变的。其中最著名的是能量守恒定律，它规定能量不能被创造或毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。能量的形式包括运动物体的能量（动能）、重力场中的能量（重力势能）、热能（大量粒子无规则运动的能量，如气体热能就是气体分子无规则运动的能量）、化学能（分子和原子间化学键的能量）和电磁能（光、紫外线、红外线、无线电波、X射线的能量）。阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论进一步揭示，质量本身就是一种能量。以汽车为例，汽车将化学能（来自汽油）转化成动能，当然一部分化学能会不可避免地转化成热能；上坡时，汽车会减速，是因为动能转化成重力势能，下坡时则相反；刹车时，动能转化成热能，因为轮胎和刹车片间有摩擦。早在古希腊时期，人们就了解了某种形式的能量守恒原理，但直到艾萨克·牛顿时期才开始出现实用的数学公式。牛顿的对手戈特弗里德·莱布尼茨首先尝试量化运动物体的能量，他把动能称为系统的“活力”。但他的“活力”似乎只适用于行星等天体的运动，并不适用于地球上的物体的运动。科学家还没有认识到热是一种运动形式。现代能量守恒定律出现于19世纪中叶，得益于两位风格相差很大的研究者的工作：德国内科医生尤里乌斯·冯·迈尔（Julius von Mayer，1814—1878）和英国酿酒师詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule，1818—1889）。1840年，迈尔在一艘驶往东印度群岛的荷兰轮船上当医生，这一经历培养了他的洞察力。在给一些生病的船员使用放血疗法时，迈尔注意到从病人静脉中流出的血比他想象的要红得多，它看起来更像是来自动脉富含氧气的血。他意识到，在高温的热带地区，人体不需要消耗那么多血液中的氧气来维持其正常体温，因此，他们的静脉血比生活在气候寒冷地区的人更红，含氧量更大。迈尔意识到在人体和周围环境之间存在着某种“能量”的平衡，他敏锐地意识到这一原则适用于所有物理过程。当地水手注意到，暴风雨后的海洋温度比暴风雨前高，这也支持了迈尔的假设：在这个过程中，风的动能转化成水的热能。而焦耳则是在尝试优化啤酒厂运营时获得的灵感，他本来的目的是比较不同类型发动机的效率。他的啤酒厂一直使用的是蒸汽机，但他想知道新研发的电动机是否会更有效率、更划算。尽管焦耳的研究始于一个纯应用问题，但他对能量如何从一种形式转化为另一种形式产生了浓厚的兴趣。他提出了热功当量的概念，即产生一定量的热需要多少机械功，并在1843年将他的结果提交给了英国科学促进会，但没有得到回应。迈尔在1841年和1842年发表了他的研究结果，他的观点甚至遭到了更多的反对。然而没几年，物理学家就令人信服地证明了各种形式的能量之间的转化。从1847年开始，能量守恒定律为人们广泛接受。能量守恒定律的一个推论是，至少在科学世界里，能造出永远运动的“永动机”的想法已宣告破产。能量守恒定律表明不仅任何孤立机器的能量“池”都是有限的，而且机器将不可逆地把它的能量转换成不可用的热能。不过，这个结论并没有阻止一位1897年的作家半开玩笑地认为猫可以实现永动。一家交易所表示，一个新产业将在伊利诺伊州弗里波特四分之一的土地上启动。一位有创新精神的农场主将饲养1000只黑猫，养这些猫需要5000只老鼠；预计这些猫在两年内会增加到15000只，每只的皮值1美元。用来喂猫的老鼠的繁殖速度是猫的5倍，而被剥掉皮的猫将成为老鼠的食物。永动机就这样最终实现了。——《利平科特杂志》（Lippincott’s Magazine）世上无新事。自挪亚登上方舟以来，大自然早就发现了这种双向的老鼠和猫的永动。不用太仔细地考虑能量守恒定律，我们也可以很容易地看出这个计划为何会失败。就算老鼠的每一部分都被喂给了猫，猫的每一部分也不会都被喂给了老鼠。在这个系统中不可避免地会有质量的损失，这位农场主最好学一点儿物理。虽然能量守恒需要相当长的时间才能被物理学家认识到，但另一个守恒定律——动量守恒，可以直接从艾萨克·牛顿著名的运动定律中推导出来。如下所示，我们可以总结一下这些定律，它们在牛顿《原理》中首次出现，虽然当时的形式和现在不太一样。 1.惯性定律：一切物体在没有受到外力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。 2.物体上的外力之和等于物体的质量乘以加速度：力=质量×加速度。 3.当一个物体对另一个物体施加一个力时，后者也会对前者施加一个大小相等、方向相反......