论经典力学的局限性

　　摘要：人类从愚昧走向文明，从神学走向科学，在认识自我的过程中，物理学起到了绝对重要的作用。而物理学的第一次颠覆时刻就是经典力学的建立。但创造历史的人们总是不可避免地要受到历史的制约，重点论述了经典力学的局限性。
　　关键词：经典力学；牛顿；局限性
　　在高中阶段，我们所学习的力学知识主要是以牛顿运动定律为基础的经典力学。那么经典力学是如何形成的、它的局限性表现在哪些方面？让我们一一解答。
　　一、经典力学的形成
　　17世纪牛顿力学构成了体系，可以说，这是物理学的第一次伟大综合。牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，具有了解决实际问题的能力。他开创了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分证明了这一点。
　　二、经典力学的主要观点
　　牛顿力学三定律构成了近代力学的基础，也是近代物理学的重要支柱。牛顿对于力学最重要的贡献则是万有引力的发现。
　　牛顿的力学三定律和万有引力定律把天体运动定律与地上物体运动定律统一起来，建立起经典力学的理论大厦。牛顿把他的力学理论应用于太阳系，解决了天体力学中的一系列问题。他拿出了计算太阳质量和行星质量的方法，证明了地球是一个赤道凸出的扁球，解释了岁差现象，说明了潮汐的涨落，分析了彗星运动的轨迹和天体摄动现象等。
　　18世纪及以后的一系列事实，证实了牛顿力学的真理性，从而得到了广泛的承认。对证实牛顿万有引力定律有重要意义的事实，一是哈雷彗星的发现，二是地球形状的证实，三是关于行星摄动现象的证实。此外，如关于引力常数G的测定等，也都证实了万有引力定律。
　　三、经典力学的局限性
　　创造历史的人们总是不可避免地要受到历史的制约，牛顿当然也不例外。由于受到时代的局限，牛顿创立的经典力学的基本概念和基本原理存在着固有的局限性，主要表现在以下几个方面：
　　1.引入了绝对时间、绝对空间等基本概念
　　按照牛顿的说法，绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着。绝对空间就其本性而言，是与任何外界事物无关、永远是相同的和不动的。绝对运动是一个物体从某一绝对处所向另一绝对处所的移动。
　　莱布尼兹、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，但却没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。爱因斯坦推广了上述的相对性原理，提出了狭义相对论。在狭义相对论中，长度和时间间隔也变成了相对量，运动的尺相对于静止的尺变短，运动的钟相对于静止的钟变慢。在广义相对论中，时空的性质不是与物体运动无关的：一方面，物体运动的性质要决定于用怎样的空间时间参照系来描写它；另一方面，时空的性质也决定于物体及其运动本身。
　　量子论的发展，对时间概念提出了根本的问题。量子论的结论之一就是：对于一个体系在过去可能存在于什么状态的判断结果，要决定于在现今的测量中做怎样的选择。这种现在与过去之间的相互关系，是与因果顺序概念十分不同的，暗含于时间概念中的因果序列要求过去的存在应是不依赖于现在的。
　　因此，用时间来描述事件发生的顺序，可能并不总是合适的。空间与时间是事物之间的一种次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一种近似。
　　2.在经典力学中，物体的质量是恒定不变的，它与物体的速度或能量无关
　　在相对论中质量这一概念的外延被大大地扩展了。爱因斯坦著名的质能方程E=mc2使原来在经典力学中彼此独立的质量守恒和能量守恒定律结合起来，成了统一的“质能守恒定律”，它充分反映了物质和运动的统一性。质能方程说明，质量和能量是不可分割而联系着的。一方面，任何物质系统既可用质量m来表志它的数量，也可用能量E来表志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少时，其质量也会相应减少，另一个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加。
　　3.经典力学定律只适用于宏观低速世界
　　经典力学定律只适用于宏观低速世界，对于可与光速相比的高速情况和微观世界的适用问题，当时没有涉及也不可能涉及。1905年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度，其他任何事物──速度、长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系而变化。
　　同样，纳入力学框架中的光的波动论也难以自圆其说。按照波动论，光被解释为充满宇宙空间的以太的振动。由于光是横波，因此以太必须具有承受切应力而不承受压应力的能力，又由于以太对可称量物质并不产生可观察到的阻力，它又必须具有极小的密度。为此，人们绞尽脑汁，臆想出种种以太模型。这种无所不能、无奇不有的以太反倒使人如坠雾中。
　　经典力学的基本概念和基本原理在热力学中也遇到了一些麻烦。1865年，克劳修斯确立了热力学第二定律，该定律揭示出与热现象有关的物理过程具有不可逆性。在经典力学中，从未发现类似的情况，力学过程的可逆性是由普遍的力学原理作保证的。可是热力学第二定律也是普遍成立的，因此，这个矛盾是无法用力学的基本观念予以解释的。
　　四、广义相对论的提出
　　由于牛顿定律给狭义相对论提出了困难，即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。因此，在整个宇宙中不存在惯性观测者。爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论。
　　狭义相对论最著名的推论是质能公式，它说明了质量随能量的增加而增加，它也可以用来解释核反应所释放的巨大能量，但它不是导致原子弹诞生的原因。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，与有些天文观测到的现象符合。
　　传统上，在爱因斯坦刚刚提出相对论的初期，人们以所讨论的问题是否涉及非惯性参考系作为狭义与广义相对论分类的标志。随着相对论理论的发展，这种分类方法越来越显示出其缺陷——参考系是跟观察者有关的，以这样一个相对的物理对象来划分物理理论，被认为不能真实地反映问题的本质。目前，一般认为，狭义与广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及引力（弯曲时空），即狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题，而广义相对论则是讨论有引力作用时的物理学的。用相对论的语言来说，就是狭义相对论的背景时空是平直的，即四维平凡流型配以闵氏度规，其曲率张量为零，又称闵氏时空；而广义相对论的背景时空则是弯曲的，其曲率张量不为零。
　　事实上，物理学在每一个历史时期都有它自己的基本概念和基本原理，而继后的时期人们又往往夸大它们的作用，不适当地把它们误用到其所能及的范围之外。为了消除这种误用，每—个历史时期都需要一种新的启蒙，正是这种永不止息的启蒙精神，才使科学不致变为僵化的教条。
　　参考文献：
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　　［3］梅凤翔.约束力学系统的对称性与守恒量.北京：北京理工大学出版社，2004.
　　（作者单位 山西省大同市农业机械化学