从经典力学到相对论力学谈物理概念及其作用

梁 辉,王炳庭

滁州学院机械与电子工程学院,安徽滁州,239000

从经典力学到相对论力学谈物理概念及其作用

梁 辉,王炳庭

滁州学院机械与电子工程学院,安徽滁州,239000

从经典力学时空观到相对论力学时空观,是人类认识自然过程中的一次重要进展,该进展主要表现在用一些新的概念代替旧的概念。经典力学是建立在绝对时空概念上,认为时间和空间与观测者的运动状态无关,相对论力学采用了同时的相对性、空间的相对性和时间的相对性等新概念,认为时间和空间与观测者的运动状态相关,物质与运动以及物质与时空是有内在联系的。用新概念代替旧概念,可导致新的物理理论产生,同时促进其他学科的发展。

经典力学;相对论力学;时空观;科学抽象;物理概念

1 经典力学及其时空观

在经典力学中,物体的运动方程为:

这一方程在伽利略变换下形式不变,服从伽利略相对性原理[1-2]。该方程是建立在经典力学的绝对时空观概念之上的。牛顿说:“绝对的、真正的和数学的时间自己流逝着。”“绝对空间,就其本性而言,与外界任何事物无关,而永是相同和不动的。”这一绝对时空观概念是牛顿在物体低速运动范围内总结并提炼出来的,从来也没有无限精确地被实验验证。事实上,时间和空间是物质的基本属性,也是认识论中最根本的概念之一。时间概念来自事物运动变化的顺序性,空间概念来自物质实体的广延性。显然,没有物质的存在,时间和空间两个概念也就无存在的意义。由此可见,经典时空观给出了这样一幅时空图像:时间和空间与观测者的运动状态无关。不同的惯性系可以有一个共同的时间量度标准,时钟的快慢或时间过程的久暂与惯性系的选择无关,也和被研究的物体的匀速运动状态无关;不同的惯性系可以有一个共同的空间量度标准,标准尺的长度或者物体所占据空间的大小与惯性系的选择无关,也和物体的匀速运动状态无关。

建立在牛顿的绝对时间和绝对空间概念基础之上的经典力学在伽利略变换下形式不变,伽利略变换是绝对时空观的数学表述。在伽利略变换下,由牛顿运动方程可得质量和加速度均与惯性系无关,因此,经典力学服从相对性原理。相对性原理是对各种物理定律的总的要求,它体现了自然理论的客观性和普适性。经典力学给出了这样的结论:时空量度是绝对的,时空是各自独立的;物体的质量是绝对的,质量和能量是互不相干的。

2 相对论力学及其时空观

该方程与经典力学运动方程形式相同,但内涵已变化。这里的质量并非常量,由此产生的变革是深刻的。该方程在洛伦兹变换下形式不变,服从狭义相对性原理,它是建立在相对论时空观概念之上的。

爱因斯坦为解决伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦方程三者不和谐问题,对经典力学进行了修正[3-4]。修正理论的先导是更新概念,爱因斯坦提出了同时的相对性、空间的相对性和时间的相对性等新概念,给出了相对论时空观的数学表述洛伦兹变换。这是人类认识自然过程中的一次重要进展,是科学抽象的成果。正如列宁所说:“物质的抽象、自然规律的抽象、价值的抽象及其他等,一句话,一切科学的(正确的、郑重的,不是荒唐的)抽象都更深刻、更正确、更完全地反映着自然。”[5]空间距离的相对性、时间间隔的相对性等概念更深刻、更正确、更完全地反映着自然,它抛弃了牛顿的空间距离的绝对性、时间间隔的绝对性等概念,创新了物理学的概念。相对论时空观给出了这样一幅时空图像:时间和空间是与观测者的运动状态相关的;物质和运动以及物质

在相对论力学中,物体运动方程为:和时空是有内在联系的。按照相对论时空观,不同惯性系之间的变换是洛伦兹变换,物理定律具有洛伦兹变换不变性。建立在相对论时空观基础上的相对论力学,给出了一系列不同于经典力学的重要结果:时空的量度是相对的,时空是不可分割的;描述物体惯性的质量不再是常量,而是与物体速度大小密切相关,随着速度增大,质量也增大,物质的一个根本属性——惯性乃是一个相对量;相对论质能关系说明物质系统的总能量和系统的总质量成正比,只要具有质量就一定具有能量,反之亦然;相对论动量能量关系等[6]。但当v c时,洛仑兹变换过渡为伽利略变换,这时,经典的绝对时空观近似成立,相对论力学过渡为经典力学;当 v接近于 c时,相对论时空观取代了经典的绝对时空观,相对论力学取代了经典力学。

3 物理概念及其作用

物理概念是反映事物本质属性和内部联系的思维形式,是科学实践发展的产物,是科学抽象思维的结果。在物理学的研究中,只有形成较为科学的物理概念,才能够进一步把握事物的本质和规律。

从经典力学到相对论力学,是人类认识自然过程中的一次重要进展,这一进展主要表现在用一些新的概念来代替旧的概念。在相对论时空观提出之前,人们一直认为经典力学体系中的概念是绝对正确并普遍适用的。但从实验中发现,伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦电磁理论三者之间存在矛盾,经典力学碰到了无法克服的困难——经典力学体系中的概念对麦克斯韦方程是不适用的。爱因斯坦对经典力学进行修正时,首先是修正、更新概念,提出了同时的相对性、空间的相对性、时间的相对性等新的概念。这些概念是很抽象的,但科学实践告诉人们,概念越抽象,适用范围就越广,就越具有普遍性。从一定程度上讲,相对论力学对经典力学的修正,就是相对论时空观对经典时空观的修正,就是相对论时空观给出的时间的相对性、空间的相对性和时空是不可分割的等新概念对经典绝对时空观给出的绝对的时间、绝对的空间和时空是分割的等旧观念的修正。从这里可以看到,科学概念是随着科学的发展和认识的深入而不断地得到更新和修正的。科学发展的历史,就是科学概念形成和发展的历史[7]。

今天,相对论已成为现代物理学的理论基础之一,相对论在科学技术领域中的广泛应用,已对人类社会产生了深远的影响[8]。可见,物理概念的作用主要表现为:用新的概念代替旧的概念,导致新的物理理论的产生和其他相关学科的发展。

4 结束语

物理概念的提出对于物理学的发展和物理学理论的建立,具有十分重要的意义。一个新物理理论的形成,要有一些新的概念作为它的先导。相对论和量子力学,改变了人类对自然界的认识,它们均是首先从概念上取得突破的。在物理学研究中,要能够抛弃旧概念,建立新概念,需要有科学的鉴别力和创新精神,也要尊重实验和抽象思维。

[1]程守洙,江之永.普通物理上册 [M].6版.北京:高等教育出版社,2006:1-198

[2]张三慧.大学物理学:电磁学 [M].3版.北京:清华大学出社,2009:5-268

[3]爱因斯坦.相对论 [M].易红波,李智谋,译.南京:江苏人民出版社,2011:2-56

[4]A Wright,K Ziemelis,L Sage,等.爱因斯坦与物理百年[M].刘川,译.北京:北京大学出版社 ,2005:55-67

[5]梁辉.从牛顿方程到薛定谔方程谈物理概念及其作用 [J].南京理工大学学报,1996,20(2):190-192

[6]弗里奇.牛顿、爱因斯坦和相对论改变世界的方程 [M].邢志忠,江向东 ,黄艳华,译.上海:上海科技教育出版社,2005:77-78

[7]自然辩证法讲义编写组.自然辩证法讲义 [M].北京:高等教育出版社,1979:88-89

[8]赵凯华,秦克诚.物理学照亮世界 [M].北京:北京大学出版社,2005:75-89

O414.1

A

1673-2006(2013)09-0062-02

10.3969/j.issn.1673-2006.2013.09.017

2013-07-30

梁辉(1960-),安徽明光人 ,硕士,教授 ,主要研究方向:凝聚态物理、大学物理教学。

(责任编辑:汪材印)