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能量守恒定律的检验

2018-4-22 09:52| 发布者: dymodel| 查看: 119| 评论: 0|原作者: Matrix

摘要:   任何物理学定律都需要经过严格的,反复的检验,特别是在把特点领域里发现的定律移植到其他相关领域的时候,往往会发生定律被破坏的情况,比如宇称守恒定律在弱相互作用和电磁相互作用中先后被实验打破。这是不以 ...
  任何物理学定律都需要经过严格的,反复的检验,特别是在把特点领域里发现的定律移植到其他相关领域的时候,往往会发生定律被破坏的情况,比如宇称守恒定律在弱相互作用和电磁相互作用中先后被实验打破。这是不以人的意志为转移的,即使是被人类社会广泛认同的定律,在没有经过严格检验的领域内,仍然不能一厢情愿地认为它是正确的。   焦耳在研究机械能和热能的基础上提出能量守恒定律,当时科学界还不了解电磁相互作用,所以能量守恒定律没有经过在电磁相互作用下的检验。我们知道,在一般情况下电磁能是符合能量守恒定律的,但是不能排除特殊情况下的例外,比如宇称守恒定律也曾经被证明在一般电磁相互作用中是正确的,但是后来被发现在Anapole的特殊结构中就不正确。由于电磁结构的多样性和复杂性,给物理学定律的检验带来很大的困难,导致这样的检验是漫长的,没有止境的。   我们可以说能量守恒定律在现有的知识领域内是正确的,但是如果说它在任何领域,任何情况下永远正确就不是科学研究者应有的态度。   从19世纪初开始,以蒸汽机的广泛利用为标志的工业革命席卷欧洲,可是那个时候的科学家和工程师们并不知道热能与机械能的转换原理。1843年,英国实验物理学家焦耳经过多年研究在《哲学杂志》上发表了他测量热功当量的实验报告,热功当量值是423.9千克米/千卡,即每千卡的热能可以转化为423.9千克米的机械能。但是焦耳的工作并没有马上得到科学界的承认,到1853年,焦耳发表了能量守恒定律,即能量不可能创造,也不可能消失,只能从一种形式转化为另一种形式,或从一个物体转移到另一个物体。这个能量守恒定律直到1860年才终于被人们接受。   焦耳在近20年时间里矢志不渝,历尽坎坷。能量守恒定律的发现是当时物理学在机械能和热能领域内的最高成就,是人类科学技术发展史上的里程碑。但是作为一项高度概括的普适性定律,它的提出和确立却带有明显的历史局限性。在19世纪中叶的时候,机械能和热能是物理学主要的研究领域,电磁相互作用尚未被完全了解,原子核中的强相互作用和弱相互作用在当时完全没有被发现。因此说,能量守恒定律能否在机械能和热能之外的相互作用中保持正确,首先必须接受在电磁相互作用下的检验。   人类对电磁相互作用的认识起始于1820年奥斯特发现的电流磁效应和1831年法拉第发现的磁电感应效应。最终建立完整电磁相互作用理论的是数学物理学家麦克斯韦,在1861年,麦克斯韦第一次提出位移电流的概念,到1867年,他建立了描述电磁相互作用的麦克斯韦方程组。在他的理论基础上,麦克斯韦预言电磁波可以在真空中传播,传播速度与光速相同,他的预言没有得到学术界的认可,很多人认为他是一个不懂物理学的数学家。直到20年后的1887年,才由德国物理学家赫兹在实验中证实,又经过了10年时间,意大利物理学家马可尼完成了跨大西洋无线电报传输,人类由此进入电气时代。我们从这段简略的历史中看到,人类对电磁相互作用的认识历时近一个世纪,而且与能量守恒定律的发现恰好有一个时间差,能量守恒定律没有来得及接受在电磁相互作用中的检验就已经被学术界普遍接受了。   在物理学领域,任何定律都必须经过严格的检验,而且这样的检验是没有穷尽的。物理学家们总是千方百计地设计出种种极端的条件试图打破已有的定律,寻求突破性的发现。比如著名的宇称守恒定律的检验就是非常有代表性的事例。宇称守恒定律原本来自于生活常识,我们知道在镜中的影像与物体本身是对称的,我们的左手和右手也是对称的,这是生活中的宇称守恒现象,也叫镜像对称。物理现象也遵从宇称守恒定律,似乎是理所当然的。但是到了1956年,李政道和杨振宁发现宇称守恒定律在电磁相互作用和强相互作用中都有实验验证,而在弱相互作用中从来没有经过实验验证,那么在弱相互作用中宇称守恒定律是否仍然正确呢?他们经过研究后发现,宇称守恒定律在弱相互作用中不再是正确的,他们因此获得了1957年度诺贝尔物理学奖。在同一年,一位叫柴德维奇的俄罗斯物理学家发现,即使宇称守恒定律在电磁相互作用中已经得到验证,仍然不能排除特殊情况下的例外。如果构造一种特殊的旋度不为零的磁场,其与电子的相互作用仍然会不遵守宇称守恒定律。这个论断在经过40年以后被美国物理学家考耐尔和维曼在实验中证实,他们获得了2001年度诺贝尔物理学奖。从上述事例中我们看到,对物理学定律的检验是没有止境的,在未来完全可能有其他的物理学家在新的领域对宇称守恒定律作出新的检验。当然挑战物理学定律是非常艰难的,这样的挑战不仅需要挑战者具有超人的智慧和决心,而且往往会耗尽挑战者毕生时光,即便如此,挑战物理学定律拥有无比巨大的魅力,它是人类智慧的磨刀石,也是揭示自然奥秘的捷径。相反,如果仅从生活经验出发,对前人确立的物理学定律盲目遵从,没有挑战的勇气,那么就会与科学发现失之交臂。   能量守恒定律是一个比宇称守恒定律更为强大的普适定律,从确立到现在,150多年来未受到挑战,它真的是永远正确的吗?事实上,物理学家们永远不会失去挑战的勇气,也永远不会放弃任何挑战的机会,现在就有两个不信邪的中国物理学家对能量守恒定律发出了挑战,他们是来自中国原子能科学研究院的梁祺昌教授和美国华盛顿大学博士后研究员刘晓东,他们发现从经典的麦克斯韦理论中就能够直接得到能量不守恒的结果,在今年7月份成功地测量了在环型螺线管和平板电容之间的能量传输,实验结果表明平板电容可以从环型螺线管的感应电场中获取能量,而环型螺线管的输入能量却为零。第一次实验观测的效应很小,能量增值只有0.04微瓦。随后他们改进了实验方案,在10月中旬成功地点亮了一支功率为60毫瓦的发光二极管,与第一次实验相比,输出功率提高了一百五十万倍。   “我们是站在巨人的肩膀上,这个巨人就是麦克斯韦。” 梁祺昌教授和刘晓东博士在介绍他们的研究成果时这么说,“在麦克斯韦的理论中,最神秘和最吸引人的就是位移电流,位移电流是空间电场的瞬间变化率。当我们考察位移电流与导体中自由电子的相互作用时就会发现,位移电流产生的感生电场可以推动自由电子运动,使电子获得能量,但是反过来,运动的电子产生的感生电场却不能对位移电流有任何影响,原因是位移电流里只有电场没有电子。在这个相互作用过程中,位移电流既不损失能量,也不获取能量,只有导体中的自由电子获得能量,于是能量就不守恒了。”   研究能量不守恒问题具有非常重大的现实意义,众所周知,我们目前正面临着越来越严重的能源危机。按目前的消费速度,地球上的石油只能够使用50年左右,煤炭也只能使用80年到100年,原子能大概能使用60年到70年。也就是说,在最迟100年以后,我们的子孙后代将没有能源。而且,在能源消耗的过程中,能源价格将越来越高,争夺能源的战争将越来越频繁,越来越残酷。如果不能从根本上解决能源问题,中国的现代化建设将受制于人,甚至会停滞。另外,由于大量燃烧石油和煤炭,排放二氧化碳,全球气候变暖也成为一个大问题,干旱,土地沙漠化,冰川融化,海水上升,陆地淹没,热带风暴频发等等。这些问题使我们不得不担忧我们的未来。如果能量守恒定律被打破,我们就能利用电磁相互作用实现能量增值,不再需要石油和煤炭,彻底消除能源危机和战争危险。现在梁祺昌教授与刘晓东博士的实验已经实现了60毫瓦的能量增值,虽然数量很小,但是意义巨大,可以说距离成功仅有一步之遥,人类即将从灾难中得到解放。   与焦耳和麦克斯韦一样,梁祺昌教授和刘晓东博士的研究也遇到了来自传统观念的强大阻力,他们向《自然》和《物理评论快报》的投稿均被退回,很多人把他们看成是疯子。“存在阻力是预料之中的,最大的困难是实验经费已经告罄。在过去的三个月里我们把输出功率提高了一百五十万倍,如果能得到50万元的经费,在半年内达到10瓦以上的输出功率不是困难的事情。我们希望得到来自政府或企业的资助,也欢迎风险投资。”刘晓东博士坦诚地说。我们衷心希望梁祺昌教授和刘晓东博士能够解决经费问题,早日摘取科学的桂冠。   辩证唯物主义哲学认为,人类对自然的认识是一个反复上升的过程,在一百五十年前焦耳正确地总结了机械能和热能转换的规律,能量守恒定律是当时科学技术的巅峰,今天我们在电磁相互作用中从新检验能量守恒定律,是对焦耳理论的发展和完善,是人类认识定律的不同阶段。在历史上,牛顿认为时空是绝对的,而爱因斯坦认为时空是相对的,这两位人类历史上最伟大的科学家之所以有不同的观点,正是因为他们处在认识的不同阶段。反复上升的认识过程意味着创新和打破旧的观念,今日之中国正以蓬勃的热情呼唤创新,中国科学院前院长周光召在去年谈到中国科学技术的发展时特别强调“中国目前最需要的是颠覆性创新”。毫无疑问,发现能量不守恒是最具代表性的颠覆性创新。

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