能量守恒和转化定律与物理科学体系

志勰

本文主要在于说明能量守恒定律和传统科学发展的关系。能量守恒和转化定律不能成立已经确定无疑,本文推荐一个证明能量守恒定律不能成立的试验——违反能量守恒的一个试验——磁场的电化学反应。(该实验不能成立,请参见本站观点纠正5


    关于能量的话题,是大家最喜欢谈论的话题之一。从20世纪中期提出的能源危机以及20世纪中后期提出的有效利用能源和环保的思想观念,都和能源的有效利用有着非常密切的联系。本文不谈论能源在实际应用过程中有效和最佳的问题,而仅根据一些新的能量现象,在能量的基本概念上所反映出来的一些观念看法和传统能量定义体系间的问题。

    能量守恒和转化定律被看作是19世纪重要的科学发现之一,并且对于人类科学向物质世界进军的过程中,做出了非常重要的贡献。这是大家有目共睹的。它最大的应用价值在于对未知的物质运动变化建立一种等量的关系。在近代科学的发展上,能量守恒和转化定律的大量应用似乎被认为是正确的。从光的能量子理论到原子核领域中的中微子的发现,似乎都包含着能量守恒和转化定律的成功应用。但是对于这些能量守恒和转化定律的应用,我并不认为是成功的。

    现今的科学已经不是一个世纪以前的科学,它不论从科学理论的本身还是从科学应用的本身来说,都已经进入到物质世界微观个体的本身。如果说能量守恒和转化定律促进了19世纪到20世纪中期的科学发展,那么,能量守恒定律在现今来说,却在阻碍着科学的发展。

能量不守恒的现象

    能量不守恒的现象很多,除了弹性碰撞和摩擦生热之外,还有一些现象,这些您都可以在机械运动(本站)中找到。今天在这里给大家介绍一个已经获得实验证实的能量不守恒现象——磁场中的电化学效应。这个试验是由重庆的刘武青先生完成的,并已经获得多项专利。关于这个试验详细的情况,请您到http://go8.163.com/~cqfyl/去察看刘先生对此方面所做出的工作。关于这个试验的细节问题,物理科学观念与评论中违反能量守恒的一个试验——磁场的电化学反应,是刘先生撰写的介绍。

  “将铁片分别放在塑料容器中的硫酸亚铁溶液两端中,但要留一部分在溶液之上,以便用电流表测量电流。然后,在塑料容器的外面,将磁体放在某一片铁片的附近,让此铁片处在磁埸中。用电流表测量两片铁片之间的电流,可以看到有电流的产生。”

  “我是这样看这个问题的:由于某一片铁片处在磁埸中,此铁片也就成为磁体,因此,在此铁片的表面吸引了大量的带正电荷的铁离子,而在另一片铁片的表面的带正电荷的铁离子的数量少于处在磁埸中的铁片的带正电荷的铁离子数量,这两片铁片之间有电位差的存在,当用导线接通时,电流由铁离子多的这一端流向铁离子少的那一端,这样就有电流产生。可以用化学上氧化-还原反应定律来看这个问题。处在磁埸这一端的铁片的表面由于有大量带正电荷的铁离子聚集在表面, 而没有处在磁埸的那一端的铁片的表面的带正电荷的铁离子数量没有处在磁埸中的一端多,当接通电路后,处在磁埸这一端的铁片表面上的铁离子得到电子(还原)变为铁原子沉淀在铁片表面,而没有处在磁埸那一端的铁片失去电子(氧化)变为铁离子进入硫酸铁溶液中”

           选自《违反能量守恒的一个试验——磁场的电化学反应

    虽然磁场的电化学效应所产生的电流是很微小的,但是我们却可以采用永久磁铁和硫酸亚铁溶液永久的产生这种电流。这个试验已经足以证明能量守恒和转化定律不能成立。

    能量守恒和转化定律和传统科学有着非常重要的关系,那么下面我们就来看看能量守恒和转化定律和传统科学的关系,以及证明能量守恒定律不能成立的意义。

  

能量守恒和转化定律和传统科学的关系

    1、能量守恒定律和力学的关系——能量与运动总量

    (1)经典的描述依据

    从定量的意义上来说,描述物体的运动变化得自于力学。使物体进行运动变化我们通常都归到物体作用的本身,或者精确的说,叫做作用力。这是描述物体运动变化最基本的原因。

    此外,还存在一种量,这种量是建立在大量的经验事实的结论上,就是运动总量的问题。

    我们知道,力学是一门古老的学科,这门学科是建立在大量经验事实基础上的一种理论。运动总量在几百年前我们最经常接触的是两种现象,一种是势能,另一种则叫做动能。

    势能通常是使物体运动的能量,动能则是物体运动的本身。或者我们在评定运动的总量可以不考虑在内,因为它本身就是一种运动的总量,表现这个运动的物体具有确定的运动速度。只是我们采用什么样的数值模式来进行描述。

    势能则不同了,它是一种静止的量,但无疑采用静止的势能和它转化出的动能,其总量必然是相同的数值形式。这是力学定义体系对于能量的一种最古老的看法。同时,也是因为这样的定义,力学才可以叫做一种力学体系,因为这样的一种定义包含了对所有物质运动变化描述的可能性,它包含了从描述物体为个体向以质点为目标的扩展。

    在大自然中,经常见到的势能则是重力势能和弹性势能。这些问题在19世纪以前早已经解决,都可以采用力与作用距离乘积的形式来描述。即:

mgh=(1/2)mV2

(1/2)kx2=(1/2)mV2

      其中,m为质量、g为重力加速度、h为物体距地面的高度、k为刚性系数。需要说明的是在弹性势能的描述中,作用力不是均匀的。

    那么,依据能量守恒的观念,很自然的,(1/2)mV2则成为动能的描述模式和单位。

    (2)经典的描述中出现的问题

    在上述对两种能量的模式进行描述的过程中,从表面上来看,能量都可以采用作用力和作用距离的乘积作为能量的定量模式。但倘若我们细究起来,则发现采用这样的定量模式是不合理的。我们先来看一下能量转化的条件:

    在重力势能转化为动能的过程中,物体受到它本身在引力场中的重力之外,在我们处理的过程中,并没有在出现其它的作用力。物体下落一段高度h,物体从下落高度过程中从最初的状态到最终的状态完全是物体本身受到引力作用的运动过程。只要是物体下落的高度确定,物体得初状态确定,那么物体的终状态则必然是确定的。与此同时,物体下落的时间也是必然确定。那么在我们采用定量的模式来对物体的运动状态变化量来进行定量,从使物体运动状态变化的原因上至少有两种描述模式。

    一种描述模式是物体在作用力的作用下通过的距离。另一种描述模式则是物体在作用力的作用下经过的时间。对于给定条件之后,两种描述模式对于物体的定量来说是等效的。那么从方法论上来说,定量能量在引力势能引起的物体的运动变化过程中,则可能存在两种定量模式。当然,在传统的科学中则选择的是作用力和作用距离的乘积的模式。

    动能和势能间的转化虽然采用作用力和作用距离的乘积来进行描述虽然可以认为是合理的,但是在物质世界中的物质的运动变化并不仅仅限于势能和动能间的转化的运动模式,还存在摩擦运动、弹性碰撞等等运动模式。在弹性碰撞种,由于物体的运动状态间的变化都得自于弹性势能和动能间的转化,这一点应该也是没有问题的。(注:我最初认为弹性碰撞过程中能量能量的定量也会存在问题,或者说能量不守恒,这一点已经有g94426先生采用数学的方法进行证明过了,可参见本站观点纠正中关于弹性碰撞的内容)那么摩擦运动则不同了。

    摩擦过程中,物体的动能会转化为热能。我们这里仅采用一个简单的例子,如果您想详究这个问题,可以参见——机械运动——机械运动的能量体系)那里有较为详细的说明。

    一个物体在地面上进行摩擦运动,如果地面和物体的材料属性是均匀的,那么摩擦力f则为一个常数(我们这里假设为低速运动,高速运动则不为常数)。为了更方便的来确定我们采用的定义体系和物体的运动变化间的关系,我们这里采用匀速运动。我们来考察一下能量的定量和物体运动过程中的几种物理量的关系。

    推动一个物体运动,首先我们要选用一个动力装置。并且单位时间里输出的作用力相同的一个机器。或者换句话说,功率相同。(关于机器的选定问题,由于存在一个相对参照系的问题,这样一个输出标准的机器采用机械转动的装置实际上是没有的,但并不等于没有这种输出能量的机器,我们可以采用万有引力、火箭发动机、电磁驱动等等,于物体所受到的作用力与惯性参照系无关的作用模式)

    如果我们采用推动物体运动在地面上运动一段距离来判定能量的量值,那么我们只要采用不同的运动速度,在相同的距离里,力所做的功则是不同的。由于摩擦系数在两种不同的运动速度里是相同的,只要运动的距离是相同的,那么摩擦所产生的热量则是相同的。一个物体进行摩擦运动,如果物体的质量的改变我们可以忽略不计(磨损),那么摩擦产生的能量完全转化为热能。

    在计量过程中,如果能量是守恒的,那么不论我们采用作用力和作用距离的乘积还是采用作用力和作用时间的乘积,那么我们都无法采用一个确定的量对我们所推动物体的能量所进行的转化进行描述。因为我们所付出的一个确定的能量,然而确转化出不同的能量。

    实际上,不论我们如何得对这个问题进行调整,都不可能在能量守恒和转化定律的基础上得到满意的定义模式。这一点暴露出我们采用的能量定义体系和能量的概念本身存在着问题,并且这个矛盾是不能调和的。

    在现在的科学中采用一种折中的方式对这个问题进行调谐。采用两种能量定义体系对这个问题进行调谐:一种定义模式是(1/2)mv2是动能的模式,另一种能量定义模式则是ft功率的模式。前者表示能量的总量,在人类的实际应用上通常叫做功,后者则表示单位时间里输出能量的量值,通常将这种能量模式叫做功率。两者在能量的属性上是没有区别的。

    我并不认为采用两种能量的量纲对能量进行描述是合理的。

    2、能量守恒定律和热学的关系

   1827年自英国植物学家布朗先生发现布朗运动之后,人类探索的物质世界的范围逐渐的从宏观到微观转移。到十九世纪中叶开始建立了宏观和微观联系的分子运动论。摩尔概念的建立,从定量的意义上建立了物质概念在宏观和微观上的关系。这些都给与19世纪热力学的发展奠定了基础。

    然而,从人类研究宏观物质世界的方法和微观物质世界的方法是绝对的不同,不能将研究宏观物体运动变化的规律应用到微观物质世界中去。我们不能象宏观世界中研究物体的运动变化一样,采用试验的方法来确定微观物质世界的运动变化。因为这是所面对的大量的不能进行观测的微观物质分子的无规则运动。在这种情况下,微观统计学就诞生了。当然,这是后话。

    如果我们要以微观物质作为描述对象,那么我们首先要建立物理量间的等量关系。选定什么样的量作为对微观物质运动变化的量则成为一种重要的问题。由于在19世纪以前,人们对物体运动变化的描述采用的是质量、作用力、长度、时间等作为对物体运动变化进行描述的量。那么对于微观物质世界,这些量也仍然搬到了对微观物质运动变化的描述上,由于微观物质世界所面对的是大量的微观粒子,那么作用力、长度和时间则不再重要,而采用这些量的一种综合的量——速度、动量、冲量、动能对这些概念进行替换。当然,这些概念仍然也是对宏观物体进行描述的量,只是采用统计的方法,它们和宏观物体的量相对应,其重要性进一步的加强了。这得自于统计方法的诞生。

    在宏观的物质运动变化的描述和微观物质运动变化的描述中,建立一种等量关系对于宏观描述和微观描述来说是非常重要的,那么能量守恒和转化定律则诞生了。它的诞生直接推动了热力学的发展,间接的推动了19世纪的工业革命。反映在直接的应用上,则是守恒观念对热机的直接应用上。

    卡诺先生在1842年就发表了研究热机效率的《关于火的动力的思考》,当然,最初始,支配他对这个领域探讨的并不是能量守恒和转化定律,而是热质的守恒,卡诺的日记表明,大概在1930年左右抛弃了热质说。不论采用热质守恒的观念还是能量守恒的观念,它们对于解决物理问题的思路的意义是相同的,就是建立一种研究目标的途径。在卡诺先生关于热机效率的维象理论里,两种守恒的观念对于热机量间的转化关系是等效的。这一点是需要说明的。

    正是由于采用维象学说对热现象成功的解释,因此在现在的热学里仍然存在两种对气体状态进行描述的理论,一种是以热力学三个定律为基础所建立的热力学唯象理论。另一种则是对微观物质个体采用统计的方法所建立的统计物理学。但是两种理论都有一种相同点,就是引用了能量守恒和转化定律作为宏观和微观物理量间的等量关系。

    从种种的迹象来看,能量守恒和转化定律是一个错误的定律。能量的观念和能量守恒和转化定律在力学的体系中就已经存在问题,那么采用能量的量纲的概念延伸到微观物质的描述中,无疑是存在问题的。我认为主要有两种物理量间的错误:一种是气体分子所产生的压强和气体分子运动速度的关系。另一种则是温度和微观物质分子运动速度的关系。关于这些看法,在机械运动的能量体系中已经有了较为详细的说明。请参见。

    3、能量守恒定律和物理哲学的关系

    能量守恒和转化定律在诞生后,一个直接的作用是推动力热机的研究,在某种意义上来说,这推动了工业革命的进程。在科学上来说,也类似于推动工业革命一样,也在推动物理观念的革命。下面我们从几个方面来看看能量守恒和转化定律所引起的科学方法上的结果。

  (1)科学思路的宏观范围

  自19世纪40年代能量守恒定律建立之后,经过近半个世纪的发展,在热学获得了胜利,并建立了热力学三定律。由于热力学第二定律——孤立系统中的熵总是趋向于最大。那么这提供了一种判定系统存在状态的方案。将宇宙当作一个系统去处理,无疑这提供了判断宏观物质系统的存在状态的思路。我们这里不论这种判断方案的对与错,但是仅从思路上来说,这提供了一种可能。也是从19世纪末,逐渐的分离出一种确定宏观宇宙存在状态的思路,其特点表现为,给整个的宇宙定量。当然,20世纪的宇宙大爆炸理论是这种思路的延续。

  (2)科学描述的模式

  另一方面,从微观上来说,能量守恒定律的介入也获得了极大的发展。随着电磁理论的逐步完善。(具有代表性的是麦克斯韦的电磁理论。)与此同时,对光谱、热辐射的研究。采用黑体辐射的方法进行理论上的分析可以认为是能量守恒和转化定律成功的运用。当然,关于黑体的研究,这陷于唯象的基础上。一直到1900年,普朗克先生提出普朗克公式,才从辐射个体的作用模式上解释了辐射现象的原理,虽然这是采用物质运动变化本身的模式对辐射现象进行解释,但这种解释仅仅是一种假设。到1905年,爱因斯坦在量子假设的基础上提出了光子理论,解决了光电效应的问题,并同时确定了辐射个体的属性。1913年,波尔发表了波尔原子理论,解决了线光谱的起源问题。1922年(通常认为是1922-1923),康普顿先生对康普顿效应的发现,在解释这个现象中采用了弹性碰撞的方法。1923年德布罗意先生提出物质波的概念,等等。我们可以看到,在处理物质运动的规律上,其中都包含了能量守恒的观念。正是在能量守恒定律成立的基础上,在能量守恒的观念逐渐向微观物质世界逐渐扩散的解释中,慢慢的,一点一点的建立起现代物理学的大厦——量子理论。如果没有能量守恒的观念,这些现代理论的建立则都要欠缺一个等量关系,或者也许根本不是这样的模式。

   从微观物质运动变化的角度上来看,量子论建立的过程中所引入的这些关系都存在大大小小的问题。玻尔原子理论可以在本站电磁理论和原子论中有另一种理论介绍之外,其它的内容大都可以在空间与物质栏目中的文章中找到另一种解释,或者传统解释不合理的地方。

  在量子理论对物质世界的解释中,都脱离了物质本身的存在状态和作用模式,而是采用一种我们人为所建立的物质存在规则强加在物质的存在状态本身上。建立一种数理描述体系,通过实验的方法来建立量子理论和物质运动变化的对应。这里,量子论所描述的不是物质运动变化的本体,而是这种数理规则。在某种意义上来说,这是一种以数理描述体系和物质世界的微观行为相对应的理论模式。

   (3)物质的存在观念

   在能量守恒和转化定律成立之前,人们对物体运动变化的描述通常是采用三种量进行描述的。它们分别是物质的质量、物质运动变化过程的时间以及物质从一个空间位置到另一个空间位置的空间距离。通常我们采用质量——m、时间——t、空间——ι进行描述。这三种量的单位都是固定的恒值。

   在19世纪末叶,由于对光的传递速度的研究的进一步深入,在定量的意义上已经确定了光的传播速度与光源的运动无关。那么,从现实的意义上没有观测到超越光速的物质运动现象(限于当时)。采用什么样的定量体系来定量我们面前的这个物质世界,则成为一个重要的问题。大家知道,这个问题直接导致了1905年的相对论的诞生。但与此同时,质能关系、光量子假说同时诞生,同时还解释了光电效应等现象。这些是爱因斯坦先生的贡献。在相对论的结构关系中,质量和惯性参照系的关系,也是质能守恒定律的一种体现。

    我们从另一个角度来看,质能关系的建立,扩大了能量守恒和转化定律的范围,直接将能量守恒和转化定律扩展到质能守恒和转化定律的范围。这是能量守恒和转化定律自力的守恒定律改为能量守恒和转化定律之后的又一次扩张。通过质能关系,质量和能量的概念已经具有相同的属性。牛顿力学中的描述物体运动变化的这三个基本概念所具有的恒定的标准在不同参照系间已经彻底的失去了量的标准。作为物质质的存在的物质概念,和作为改变物体运动状态的物理量的能量已经没有了区别。在微观物质世界中,我们已经改变了传统的对物体质量的概念,而将基本粒子的特征称之为具有多少能量的粒子。而不是质量为多少的粒子。这样的概念一直延续到现今。当然,以后是不是还是这样,这取决于人们的偏好。这样采用质能的方式去描述物质的客观存在,已经失去了物质作为一种质的存在标准。当然,您也可以看作两种物理量间的融合。但这种融合对于细究微观物质的属性是没有帮助的。

    现今的科学已经完全接受了相对论的时间、空间和物质协变的观念。也已经接受了相对论这种采用数值变换的模式去描述物体的存在状态。但是,这仅仅是对物质运动变化描述的一种新的定义模式,在物质运动变化的本身描述上,并没有新的内容。只是改变了一下定义体系的模式。我想这对于物质运动变化的本身的认识,没有任何的帮助。(可参见时间、空间与物质运动变化中的文章)

    在某种意义上,我们不得不说,能量守恒和转化定律对相对论的观念也提供了非常重要的贡献。虽然这给与我们认识物质世界的本身的影响是负面的。

4、放弃能量守恒和转化定律的意义

   虽然目前并没有一种更为有效的物理描述体系对物质世界进行描述,即便在现行的科学定义体系中,能量守恒和转化定律仍暴露出它和现有的物理定义体系的矛盾,这种矛盾是一种连锁矛盾。这种连锁矛盾可以波及到所有曾对物理问题求解对能量守恒和转化定律有依赖性的领域。

   当然,这种波及并不仅仅限于物理量数值关系的本身,甚至还波及到物理量的属性和物理观念的本身上,或者更进一步的说,这涉及到物理客观对象在存在状态属性的认同上。

   放弃能量转化和守恒定律,这必然要重新建立物理对象的属性和描述体系的关系。这样的一个时期和相对论量子论诞生的时期是没有区别的。或者说,这将是一种和相对论量子论诞生时期相似但不同的科学观念的革命。

2001.5.31


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