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电子书《能量守恒》前言和书摘
大家好，我的新电子书《能量守恒》终于上市了。这本新电子书跟此前讨论复杂系统的《临界》不同，它属于知乎最新推出的「一小时内」系列，其定位是「一系列短小精炼的电子书」。这次我所写的内容是与能量守恒有关的一些内容，但又希望可以不是简单地谈谈物理学史。而是如我自己在本书的序言中所说，希望「以某些内容为中心线索，不局限于经典的学科分类，而是考虑将一大片的科学发现串联起来，并将这种线索一直延续到当下，用更现代的视角去考虑那些有着古老来源的问题。希望这种带着问题的回顾可以帮助我们更好的面对未来的研究。」考虑到整套书的风格和销量等问题，一些我个人觉得比较有意思但是内容相对比较难的讨论在电子书中惨遭删节了。这些内容我会在自己的公众帐号（生命的设计原则）和我的知乎专栏放出，供大家在「一小时」以外的时间阅读。点击本文末尾的「阅读原文」链接可以阅读本书被删节的内容和获取购买链接。购买链接也在持续更新中，也欢迎大家将这本书向其他对物理学有兴趣的朋友们推荐。前言这本书的缘起是这样的。我的上一本知乎「盐」系列的电子书《临界：智能的设计原则》在亚马逊上市之后，亚马逊便把我的书自动分类到了「中学教辅」类下。不过这似乎还不是最过分的，杜小溪的《怀孕那些事儿》还曾经被亚马逊智能地分类到「畜牧」类呢。不过此后在跟知乎的刘编辑谈起相关的事情时，他倒反而来怂恿我写类似于「中学教辅」的科普书，尤其是写一些普通公众也会很感兴趣的物理学史以及一些大家所熟知的物理学定律被发现的过程。我说另请高明吧，实在也不是谦虚，我一个在读的博士，怎么能来写物理学史这样的话题。况且对我来说，写这类基础的科普会更困难些，要花的时间也多些，而写一些与复杂系统相关的内容，会与我自己平时的阅读和今后的研究计划更相关些。刘编辑对各种物理学的知识充满了好奇，他最后说服了我，最重要的原因就是他表现出来的对物理学相关定律完全的无知——这种无知让我觉得写这本书可能会是有必要的。例如他在跟我讨论策划这本书时，提到可以谈谈一些物理学定律发现的过程，每章写一个物理学定律或者一个物理学家。他先征询我的意见，我说了些我的想法，其中提到些物理学家的名字（例如麦克斯韦、费米、狄拉克等），他却表示从来没听过，当提到一些众所周知的物理学家（例如爱因斯坦、薛定谔、费曼），他也表示只知其名，并不懂他们为什么重要。我向他表示了遗憾，这时候我大概明白了为什么刘编辑需要的是「中学教辅」了，可这对我来说实在是更大的挑战。这个系列的电子书的定位与此前我所的《写在物理边上》和《临界：智能的设计原则》完全不同，我将尽我所能让刘编辑看懂，因此必须要讲一些有趣的故事。说到「有趣的故事」，我马上想到了卢昌海在为徐一鸿（A Zee）的《爱因斯坦的玩具：探索宇宙和引力的秘密》作的序言中提到的一个重要的警示：徐先生曾将爱因斯坦「物理学应尽可能简单， 但不能过分简单」的名言改为了「物理学应尽可能有趣， 但不能过分有趣」。 这也是我非常认同的想法。有趣的故事能让大家对许多物理学定律的发现有更准确和更深刻的理解，但「太有趣」常常会让真正的重点弱化，让读者产生一些多余的联想和不必要的误解。为了避免这些问题，我试图对这本书的定位进行一些微调——我希望这本普及性质的读物能帮助不同知识背景的读者都能渐渐走到「舒适区」外。既然是「走到」，那么首先这本书起步的内容应该是所有读者都相对熟悉的。然而如果整本书的内容是各位读者都完全熟悉的，让读者重复在基础物理课程中学过的知识，那这样的书就会是舒适区内的「教辅」。那么对于一本物理的普及读物而言，怎样让读者舒适地走到「舒适区」外？我想，最值得一写的就是一些古老问题在现代物理学研究中所留下的影子。这些讨论也是通常的教辅书所不能实现的，但如果是对科学有些兴趣的朋友，相信一定不会愿意错过这些内容。我希望从从「问题」的角度来简要地谈谈科学史。今天学习科学的朋友完全不需要按照历史的顺序来学习一个学科。例如，今天生物专业的朋友们首先学习的是分子生物学知识，而不是按照时间先后顺序，从亚里士多德的物种分类规则开始。但历史又有其重要的作用，它可以帮助我们追溯科学发展的道路上那些重要的问题。当然，每个时代有其关注的问题，但仍然有某些问题穿越了时代，在历史中一直被人反复追问。前面提到植物学中的「分类」问题就是一个这样的问题，从古老的博物学家们从植物生殖器官形态开始的一些尝试，一直延续到达尔文革命之后的进化树，再到分子生物学诞生之后基于各种序列的生物信息学计算——虽然不同时代的科学家们在做着不同的事情，但最基本的问题留了下来。对基本问题的探索是一种「念念不忘，必有回响」，我心目中理想的一种回顾，就是借由科学史去反思和梳理这种「回响」：以某些内容为中心线索，不局限于经典的学科分类，而是考虑将一大片的科学发现串联起来，并将这种线索一直延续到当下，用更现代的视角去考虑那些有着古老来源的问题。希望这种带着问题的回顾可以帮助我们更好的面对未来的研究。能量守恒定律是我想要讨论的第一个物理定律，它或许是最广为人所知的一条物理学基本定律——尽管直至今日仍然有无数人在尝试制造永动机。能量守恒定律不同于唯象定律、经验公式或本构关系，它在物理学的各个分支、在物质世界的许多个不同的时间和空间尺度、在生命和非生命的体系中都是一条基本定律。能量守恒定律的发现过程中有许多常常被忽略的故事，这些故事可以带领我们思考很多有意思的问题：能量守恒定律的发现其实是工业化以后的事情，也就是说，尽管像瓦特这样的工程奇才改进了蒸汽机并推动了技术进步，他却并没有「热」和「功」相互转换的观念，那么问题来了，这一时期的工程师用怎样的理论指导自己的实践？另一个有意思的故事是，能量守恒定律的提出竟然与生物体系有关，有一位医生在物理学界以外，根据自己的医学实践，独立想到了能量守恒定律，为什么会绕这么大一个圈子？到了二十世纪，能量守恒定律虽然早已被物理学界广泛接受，但玻尔这样的大家却仍然多次对其表示怀疑，而相对论和量子力学也都从不同的层面对经典意义上的能量守恒提出了挑战，怎样在相对论和量子力学的框架下理解能量守恒？这本电子书试图简要回顾这些历史，并且讨论背后的一些物理知识。希望各位读者——尤其是像亲爱的刘编辑那样对相关领域充满好奇的朋友——能有一个轻松愉快的一小时的阅读体验。在写作过程中，我深深发现，各种我能找到的外国科学史的材料（网页、论文、书籍）等都有不同程度的翻译问题。我在写作时，至少把我自己能发现的大量错误进行了订正，然而毕竟成书仓促，书中对各种史实的引用和叙述或有疏漏，在此提前向诸位读者致歉。此外，因为考虑到本书的受众，很多问题的讨论并没有足够充分，另外，再加上本人还需要提高知识水平，对书中所讨论的问题并非都有同样深刻的看法，因此可能在某些具体问题的分析上也显得较为肤浅，相关疏漏也还请各位朋友不吝指教。最后，我还想特别强调一下，我对任何形式的永动机都不感兴趣，谢谢。傅渥成日第一节 统一之路能量守恒定律的发现同样是一条「统一之路」。一方面，能量守恒定律统一了「做功」和「热量」，直观的说，有了能量守恒定律，人们在减肥时可以用同样的单位来描述自己的运动量和饮食量；另一方面，能量守恒定律是生物和非生命的物体都必须遵循的定律，生命世界和物理世界从此统一了起来，直观的说，人们在减肥时「燃烧」脂肪所释放的能量和把相应的脂肪真的割下来点火燃烧放出的能量也是一码事，并没有生物体所特有的「生命力」。第二节 丹尼斯的积木和玻尔的错误丹尼斯的积木是美国著名的物理学家费曼（Richard Feynman）?1在课堂上讲解能量守恒时用到的一个比喻。虽然暂时我们无法找到某些积木，但某一天把床移开，说不定就会发现淘气的丹尼斯藏起来的另外两块积木。如果积木不守恒，那么只要修建一个巨大无比的床，就可以隔三差五地从床下掏出积木来，类似的，永动机也就可以被生产出来。假如能量不守恒，「官科」对此会有何评价？爱因斯坦的评论是：「我宁愿去当一个修鞋匠， 甚至赌场的雇员， 也不愿做物理学家。」第三节 名词之争：「热」是一种「物质」吗？「热质」的概念在古希腊时期就已经孕育，当时的一些哲学家认为「热」是构成世界的一种基本元素。或许是因为「热气」的某种直观，「热质」长期被认为是一种无质量的气体，物体吸收热质后温度会升高。……拉瓦锡提出了「热质」这一概念，他指出热质是热的实体物质，以流体的形式（caloric fluid）存在。……在「热质说」的框架下，热机就像水电站的水轮机，水电站堤坝两侧高度差对应于热机中的温差，热质的流动像水的流动那样带动了蒸汽机的运转，我们在描述冷热状态时的用词（高温、低温）实际上暗含了这种隐喻。……我们费了很大的劲来说明「热」不是一种物质，然后又用了不少的篇幅绕了一个圈子，把固体中的热传递再次抽象成一种虚拟粒子（声子），希望大家能从这样一个大圈子中体会到物理学研究的某些想法。第四节 重新发现「生命力」能量守恒定律的奠基却有好几个「医生」做出了重要的工作——甚至我们可以认为首先是医生发现了人体内做功与热量的关系，然后才是物理学家们姗姗来迟。前苏联的分子生物学家 Volkenstein 曾经说「我们可以稍微夸张地说，如果物理学赠给生物学以显微镜，则生物学报答物理学以能量守恒定律。」这实在是太吊诡了，为何会绕一个这么大的圈子呢？ 第五节 从焦耳到开尔文人呐，就都不知道，一个人的命运没有办法预料。焦耳在大学毕业之后继承了家里的啤酒厂，他在啤酒的酿造和啤酒厂的经营方面都曾经非常活跃，焦耳一个酿啤酒的，怎么就做起科研来了呢？开尔文的一生同样有些奇怪，他并不是一直就叫「开尔文」的，他的名字叫威廉·汤姆森（William Thomson），他从小就是一个天才儿童，对自然科学的许多不同领域都有着浓厚的兴趣，并且做出了很多重要的成果，然而他被授予「开尔文」这样一个男爵（1st Baron Kelvin）爵位，却是因为他在铺设横跨大西洋的海底电缆时所做出的重要工作，海底电缆的铺设不但给汤姆森带来了爵位，他还因其工作当选为大西洋电报公司的董事会成员。汤姆森一个做科研的，怎么就搞起工程来了？……在他们创造力最旺盛的时期，适逢第二次工业革命，在焦耳经营啤酒厂的时代，用电还是不能想象的事情，而当开尔文被授予爵位时，不但他家里早就领先潮流地装上了电灯，而且从欧洲直接连接美洲大陆的海底电缆都已经铺设成功，比人的命运更难预料的其实是技术的进步——在面临一场科技革命的时候，将技术问题抽象为科学问题、或者对一些科学问题找到其在技术方面的应用都有可能在获得重要的科研成果的同时推动技术进步，这种技术层面的进步将会是非常激动人心的工作。第六节 能量守恒定律的更多讨论能量守恒定律有很多重要的推论。我们生活中有些现象看起来与能量守恒相违背，但仔细分析起来，就可以发现其中的破绽。例如一个来源于开尔文的经典的例子。看起来水在结冰的时候不但在放热，而且在对外界做功（因为体积膨胀），这似乎说明水的结冰可以作为一个永动机来使用。然而这种情况不可能发生，这就可以导出冰的熔点必定随压力增加而下降。……1738 年，丹尼尔·伯努利在他的流体力学著作中正确提出了对气体压强的理解，也正是在他的书中，他提出了著名的伯努利原理。伯努利原理其实就是能量守恒定律的直接推论。……另一个能量守恒定律的重要推论是楞次定律。这一定律由楞次（Heinrich Friedrich Lenz）在 1834 年发现，……中学的时候，我们常常伸出右手，念念有词：「感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。」这一定律后来被德国的物理学家亥姆霍兹证明实际上就是电磁现象的能量守恒定律。第七节 守恒和对称诺特定理揭示了「对称性」和「守恒律」之间的对应关系。例如我们可以考虑「时间平移」这样一种「对称操作」，如果系统在时间平移后保持不变，那么就说明在这样一个系统中，物理规律不因时间的改变发生变化。诺特定理告诉我们，在分析力学的框架下，「时间平移不变性」对应于「能量守恒」，也即，只要物理规律可以不随时间改变，那么这样的体系中会有守恒的能量。怎样直观理解这种对应？?1假如重力的强度会随时间发生改变，那么我们就可以选择在重力弱的时候抽水储存能量，然后选择重力强的时刻开闸放水发电——这看起来是一个有金融行业套利（arbitrage）经验的水电站——因为重力在我们发电的时候更强，因此发出的电能要比我们抽水时所做的功更多，这样就得到了比我们开始输入的能量更多的能量，永动机也就可以实现了——显然这是不可能的事情。第八节 奇迹年的爱因斯坦20 世纪物理学的两个最重要的成就就是相对论和量子力学的提出。这两个理论彻底改变了物理学的基本面貌，也改变了人类认识世界的视角。在这些新的视角下，重新检视人类的日常经验，反思各种已经被当做是常识的物理学定律会是非常有益的。本章的最后两节将主要从相对论和量子力学的视角重新思考能量守恒的有关问题。……在狭义相对论的框架下，原先牛顿时空观下时间独立于空间存在的局面已经不存在了，在狭义相对论中，动量和能量被推广为「四维动量」，或者叫「能量—动量四维矢量」。在狭义相对论中，时间作为空间的一个特殊维度，而能量又作为了动量的一个特殊维度。第九节 量子力学视角下的能量前苏联著名物理学家朗道（Lev Davidovich Landau）曾经开玩笑说：「违反能量—时间不确定关系很容易，我只需很精确地测量能量，然后紧盯着我的手表就行了！?」朗道的玩笑是针对公众对这一不确定关系的一种普遍误解，需要指出的是，这里的 Δt 并不是测量所需要花费的时间的意思，并不由测量者所决定，而是由系统本身的属性所决定的。……Casimir 效应等现象表明，尽管狄拉克的负能海图像未必合理，但真空的确具有复杂的结构。虽然量子效应通常只涉及到微观世界的相互作用，但仍然有许多宏观的体系可以表现出可观测的量子效应， Casimir 效应即为一例。 总结在这本电子书中，我们简单回顾了能量守恒定律从基本思想的发端直到当代的历史。这不是一个标准的历史学的回顾，而是尝试沿着某条主线，从某一点出发延伸到更远处。我们相信这种延伸还会在未来不断延续。费曼是量子电动力学的奠基人之一，他在的课堂上这样介绍能量守恒定律?：「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（Bishop），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。……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。」如费曼所说的，能量守恒没有告诉我们「机制」或者「理由」。我们讨论不同时空尺度下的能量问题，思考其守恒性，更重要的另一个目的在于系统通过「能量」这样一个抽象的对象，揭示隐藏在其背后更多的隐藏机制。从这个意义上来说，我们对能量守恒定律的探索远还没有结束。扫二维码下载作业帮
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宇宙的总能量守恒吗?若守恒如何解释质量亏损?若不守恒,质量守恒定律又如何解释?
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晕,既然知道质量亏损那还不知道质—能守恒定律吗?质能守恒是质量守恒和能量守恒的加强班,就是传说中的E=mc^2,能量与质量可以相互转换,但总值不变.能量不是守恒的、质量也不是.但如果说质量也就是能量,那么仍然是守恒的.
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