張三慧

(清華大學(xué)物理系,北京 100084)

“能量形式”概念是錯誤的嗎?

張三慧

(清華大學(xué)物理系,北京 100084)

偶翻《物理與工程》雜志 2010年第 6期,發(fā)現(xiàn)一篇文章,題目為“試論一種新的能量觀”以下統(tǒng)稱《新》文.該文作者們建議使用“能量載體”的概念來代替“能量形式”.立論新穎.但我多處看不明白.不揣冒昧,寫一篇讀后感如下,敬請指正.

能量具有不同的形式,現(xiàn)今在物理學(xué)界,包括大師、教師、學(xué)生,已成公認(rèn)的定論.例如,趙凱華、羅蔚茵的物理學(xué)教材《力學(xué)》(二)2.2段就寫著“能量是物理學(xué)一個極為普遍、極為重要的物理量,它具有機(jī)械能、熱能、電磁能、核能等多種形式.雖然我們不能給能量下一個普遍的定義,但這絕不意味著它是一個可以隨意延拓的含糊概念”.在《新》文所列的參考文獻(xiàn) [2]那本著名教材的后續(xù)改版《Fundamentals of Physics》6th ed(2001)的7-1節(jié)就寫有“energy is a scalar quantity that is associated with a state(or condition)of one or more objects.And it comes in a great many formes(or types).In fact,the term energy is so broad that a clear definition for it is difficult to write and this definition is too vague to be of help to us”.

關(guān)于能量和能量形式的說法或概念和理論,從 1686年萊布尼茲提出“活力”即今“動能”的概念以來,普遍的能量和能量形式的概念已經(jīng)建立、發(fā)展、興盛“統(tǒng)治”了物理學(xué)三百余年,“對改進(jìn)物理教學(xué)和推動物理學(xué)自身的發(fā)展”曾起過并正在起著非常重要的積極作用,在現(xiàn)今的物理教材中它們都有正確的明明白白的闡釋.但今天的“新能量觀”者們在《新》文中說:“在仔細(xì)地分析了一下之后,不難地發(fā)現(xiàn)了,用能量形式 (energy for m)的概念來思考和討論問題并不恰當(dāng).有時會起到某種誤導(dǎo)作用,容易使人們誤認(rèn)為存在著不同類型的能量”.所以這一概念是錯誤的.這就是說,他們要將他們這些“人們”對于“能量形式”這一概念的誤認(rèn),即存在著不同類型的能量,強(qiáng)加到這一概念本身而說它是錯誤的并因此要把它逐出物理學(xué),而使用“能量載體”這一“科學(xué)含義精確、表述通俗易懂”的概念來代替這一概念.這是什么邏輯?合乎科學(xué)道理嗎?

下面讓我們來看“有利于反映能量的本質(zhì)的概念‘能量載體’”是什么意思.作者們的回答是“隨能量一起流動的物質(zhì)型物理量”.那么,什么又是“物質(zhì)型物理量”呢?《新》文第二節(jié)說是為了反映物理廣延量如質(zhì)量、動量、物質(zhì)的量、電荷量和熵等的共同特點(diǎn)而采用的一種物質(zhì)模型(substance model),即把這些量想象成一種“物質(zhì)”并起名為物質(zhì)型物理量 (subrtance-quantity).還明確指出,這里所說的物質(zhì)嚴(yán)格意義上應(yīng)該是指連續(xù)介質(zhì),即一種不考慮物質(zhì)分子之間實(shí)際存在的空隙而連續(xù)分布在空間的假想物質(zhì).看了這一段,大家一定會達(dá)成以下共識:即所謂“物質(zhì)型物理量”是把廣延量想象成一種假想物質(zhì)而給它起的名字.這也就是說,《新》文所定義的“能量載體”“概念”并不代表任何自然界客觀實(shí)質(zhì)!這一定義使我即時想起了曾在先能量時代 18世紀(jì)流行而后來被正確地用“能量”概念取代了的“熱質(zhì)”“概念”.上述定義的“能量載體”和“熱質(zhì)”“概念”何其相似啊!不過,上列質(zhì)量、電荷和熵等詞都已經(jīng)有確切的物理含義,再把它們拉來作為假想物質(zhì)重新命名怕未必合適.

接著,《新》文討論了物理量的守恒問題,討論強(qiáng)度量的守恒問題當(dāng)然是不正確的.對于物質(zhì)型物理量,文中說,“有些 (如電荷量)始終是守恒的.然而,另一些物質(zhì)型物理量,其守恒是有條件的.比如物質(zhì)的量 (amount of substance),只有在不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的條件下才是守恒的.(但是,又該如何理解化學(xué)教材中寫的質(zhì)量守恒定律呢?)由此可見,物質(zhì)型物理量和守恒的物理量并不完全相同,前者的綜合性更強(qiáng)或覆蓋面更廣一些”.本節(jié)的最后一句話是:能量既是一個物質(zhì)型的量 (本節(jié)題名),又是一個守恒的量.這是作者們想要給能量下的 clear definition嗎?

下面一節(jié)的題目是“關(guān)于能量形式的定義和分類”.我想應(yīng)該是講明白如何用“能量載體”概念來代替能量形式的概念了.在指出“即使在一些著名的物理教科書里”能量形式這個概念本身的物理含義就“相當(dāng)模糊,接近于日常生活用語”之后,討論起“將能量區(qū)分為各種能量流的方法”來了.在未給出任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)的情況下,說“經(jīng)驗(yàn) (作為介紹新觀念的文章,應(yīng)該先告訴大家這些經(jīng)驗(yàn)是什么,來自什么試驗(yàn)或活動)告訴我們,能量從不單獨(dú)流動,它總是與至少一個其他物質(zhì)型物理量相隨著一起流動”.“這其實(shí)是一條自然規(guī)律(?).并且以大師 Gibbs冠名寫出了一個數(shù)學(xué)公式.為解釋這個公式,舉的例子有:能量流與電荷流同時流經(jīng)導(dǎo)線而進(jìn)入電爐;能量與物質(zhì)的量(“燃油和氧氣”,(這兩樣化學(xué)物質(zhì)也是“物質(zhì)型物理量”嗎?)一起流入汽車發(fā)動機(jī);能量與熵相伴同時流過房屋的墻壁,等等.在這種情況下,人們(是指作者們吧)通常根據(jù)與能量一起流動的 (這里是否有意去掉了“物質(zhì)型”三字?)物理量來談?wù)撃芰坎扇∵@樣或那樣的“形式”進(jìn)行傳輸或轉(zhuǎn)換.在上面的例子中,人們 (還是指作者們吧?)分別把這些不同形式的能量稱作為電能、化學(xué)能和熱.這就是《新》文建議的新的能量分類方法和能量觀:根據(jù)與能量一起流動的其他物理量來命名能量的“形式”.繞了這么大彎子,引入了個被定義為“物質(zhì)型物理量”的假想連續(xù)介質(zhì),并根據(jù)“經(jīng)驗(yàn)”拉大師 Gibbs寫了“一條自然定律”的公式,才得出了這樣一個方法和觀點(diǎn).我看了幾遍并反復(fù)思考體會,最后發(fā)現(xiàn)這一命名法實(shí)質(zhì)上不過是本文開頭介紹的現(xiàn)在大家正用的以載體命名的方法的“盜版”,除了能量載體的意義不同和只用于能量的“流動”情況以外 (上面能量、能量流這兩個意義不同的術(shù)語隨便換用,物理量和物質(zhì)型物理量這兩個意義不同的術(shù)語也隨便換用,使我很難準(zhǔn)確地理解文章的含義)并沒有新意,更沒有“代替”.此外,對上引《新》文的用詞,還要說幾句話.對導(dǎo)線中電能的傳輸,現(xiàn)代的觀點(diǎn)并不是電荷攜帶著能量一起流動的,而是由驅(qū)動電荷流動的電磁場傳輸?shù)?電荷并不是這里的“能量載體”!再者,熵這個“狀態(tài)量”怎么成了物質(zhì)型物理量那樣的“假想連續(xù)介質(zhì)”了?還有,功和熱 (量)概念并不是“狀態(tài)量 ”能量而是“過程量”,這在任何一本物理教科書中講熱力學(xué)第一定律時都寫明了的!不能混為一談.

下面一段說,一般說來,只要一個系統(tǒng)的能量函數(shù)可以展開為一些分立的單項(xiàng)之和,我們就能夠?yàn)槊恳豁?xiàng)起一個名稱,從而得到不同的能量“存在形式”.這幾句話似乎在支持“舊能量觀“.例如,一個自由落體系統(tǒng) (包括地球M和落體 m),其能量就可寫成 m v2/2+m gh,前者為動能,后者為勢能,明明白白.但《新》文緊接著說,“可惜,許多物理系統(tǒng)不允許做這樣的能量分解.事實(shí)上,任何能量轉(zhuǎn)換裝置 (剛才講的是“物理系統(tǒng)”)的能量函數(shù)一般都是不可分解的.各種熱力發(fā)動機(jī)將熱量 TdS轉(zhuǎn)換為功 -pdV,他們的能量函數(shù)中的自變量 (剛才講的是“能量函數(shù)”)S和 V都不能夠做這種分解.”這幾句話似乎是否定“舊能量觀“的.但上面已說過,把熱量和功戴上“能量”的帽子,是一項(xiàng)概念錯誤呀!文章怎么這樣難懂呢?

再來看下面說些什么.在肯定了上述分類法“更加簡便”之后,又說,“我們并不贊成把由此而區(qū)分開來的各種能量流 (而不是能量!)稱為不同的‘能量形式’”(這不是否定了前面自己提出的分類法了嗎?!).為了說明“能量具有不同形式”這一說法究竟錯在哪里,《新》文以電荷為例提出不能根據(jù)載體將電荷冠以不同的名稱如電子電荷、質(zhì)子電荷、氯離子電荷等.這樣容易使人誤認(rèn)為這些不同的名稱表示著不同的物理量.而事實(shí)上它們都僅僅涉及一個相同的物理量——電荷.所不同的只是電荷的載體而非電荷本身.(不過也不能太絕對了,因?yàn)橘|(zhì)子電荷和電子電荷終究還是正負(fù)不相同的兩種電荷!可參看 Purcell,Berkeley Physics,Electricity and M agnetism,2nded(1985),Sec.1.1,p 3.)因此這樣的名稱就是錯誤的,不應(yīng)該用.(現(xiàn)在的物理文獻(xiàn)中像電子電荷、質(zhì)子電荷、氯離子電荷這樣的以載體為冠的名詞的確是很罕見的,好像大家已認(rèn)識到上述錯誤了.但是像電子的電荷、質(zhì)子的電荷、氯離子的電荷等這樣的指名載體的類似組合詞卻比比皆是!又好像大家并不認(rèn)同上述指責(zé).)這些關(guān)于電荷的討論,當(dāng)然是為了通過類比來說明能量形式這種概念是錯誤的.根據(jù)按類比就應(yīng)是能量形式的說法可能引起認(rèn)為能量有不同類型的誤解.用這種誤解誣稱能量形式概念是錯的觀點(diǎn)本文第三段中已談過了.

在第 4節(jié)能量載體和能量轉(zhuǎn)載體中,“新”能量觀似乎解說得更明白了些.作者們說,如果不再使用術(shù)語“能量形式”,那么應(yīng)該選用什么樣的術(shù)語來替代它比較好呢?作者們回答說:回顧一下前面關(guān)于電荷的討論,就立即呈現(xiàn)在我們面前,那就是使用“能量載體 (energy carrier)來取而代之.我們可以說,隨同能量一起流動的那個物質(zhì)型物理量“運(yùn)載著能量流動,它是一種“能量載體”.“為了論證“能量載體”的“概念”的合理性,作者們又一次提出了那個普適命題:“當(dāng)某種東西只是更換其載體而它自身并沒有發(fā)生變化時,談?wù)撨@種東西的形式顯然是不合理的.”并以煤的遠(yuǎn)程運(yùn)輸為例佐證此命題的正確.可是,為什么不能根據(jù)例如,井、河道、形成湖、海的地形構(gòu)造等把這些不同“載體”所載的“自身并沒有變化的”水以井水、河水、湖水、海水這樣的稱呼來區(qū)別它們并說是“形式”不同呢?這也“顯然”不合理、并容易使你們發(fā)生對水的認(rèn)識的“誤導(dǎo)”而應(yīng)該被廢棄嗎?普通老百姓能贊同這種觀點(diǎn)嗎?生活用語也自有真理在!

“新”文在定義了“能量轉(zhuǎn)載體”(就是我們常說的換能器)之后.說道,“在日常生活和技術(shù)環(huán)境中,到處都充滿著能量轉(zhuǎn)載體的例子.比如,在電燈泡里,能量從 (這里作者們省略了冠詞“能量”二字,下面幾例同此 )載體“電荷”轉(zhuǎn)載到載體“光”上;在電動機(jī)里,能量從載體“電荷”轉(zhuǎn)載到載體“角動量”上;在發(fā)電站里,能量從載體“物質(zhì)的量”轉(zhuǎn)載到載體“電荷”上;在熱機(jī)里,能量從載體“熵”轉(zhuǎn)載到載體“角動量”上”.這些能量轉(zhuǎn)換的事實(shí),用“舊能量觀”表述,是:在電燈泡里電能轉(zhuǎn)化為光能;在電動機(jī)里,電能轉(zhuǎn)化為動能;在發(fā)電站里,熱能轉(zhuǎn)化為電能;兩相比較,哪種描述更簡潔明確,清晰易懂?至于哪種描述的科學(xué)含義更精確?我的意見是:我們所討論的問題,用傳統(tǒng)的或舊能量觀的語言,根本上是自 1686年以來,科學(xué)家們包括萊布尼茲、倫福特伯爵、焦耳、愛因斯坦等,發(fā)現(xiàn)自然界普遍存在著一種以物理量“能量”定名的客觀實(shí)在.能量 (energy)雖然至今還沒有清晰的定義(clear definition)但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),能量總是和實(shí)際的物體或物質(zhì)同時同地出現(xiàn),而且和特定物體或物質(zhì)相聯(lián)系的能量的大小或多少可以用標(biāo)志該物體或物質(zhì) (不管運(yùn)動與否)的狀態(tài)特征的物理量構(gòu)成的公式計(jì)算出來.例如 m v2/2,m gh,niRT/2,ε0E2/2,...等計(jì)算出來.物體或物質(zhì)和能量的這種聯(lián)系使得前者可稱為后者的載體.(請注意這里的載體和《新》文中的“能量載體”概念完全不同!)于是引入了“能量形式”的概念來表明能量可以有不同的載體,并啟用了具體的名稱如動能、重力勢能、熱能、電 (場)能、磁(場)能、光能、核能等名稱.要注意的是,各種物理教材中一再強(qiáng)調(diào)根據(jù)眾多實(shí)驗(yàn),包括論福特的鏜炮筒活計(jì),各式焦耳實(shí)驗(yàn),證明,各種形式的能量是可以按十分確定的當(dāng)量,如熱功當(dāng)量,相互轉(zhuǎn)換的.因此它們就是同一種客觀實(shí)在!這是不允許讀者們有任何誤解的.由此可知,大家都理解的經(jīng)典能量觀是面對客觀實(shí)在,言之有客觀事物,實(shí)驗(yàn)證據(jù)確鑿,說明簡潔,清晰易懂.對論述“能量載體”的《新》文,我認(rèn)為只討論概念,言不及實(shí)際客觀 (只言“想象”和“假想”),沒有實(shí)驗(yàn)根據(jù),多用舉例類比論證,用詞含糊,邏輯混亂,行文艱澀難懂.只需根據(jù)“Experi-ment is the sole judge of scientific‘truth’(見 Fynman Lctures on Physics,Vol 1,p1-1)”,即“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”這一認(rèn)識論的基本原則,就可以說“能量載體”這一概念是不科學(xué)的、錯誤的,不應(yīng)該也不可能用它來代替“能量形式”這一科學(xué)概念!也就說不上什么“改進(jìn)”、“推動”和“發(fā)展”.建議作者們再讀一下物理教材,特別是 Feynman,Lctures on Physics,Vol 14-1 Whate is energy?那一段 (有中文譯文,見趙凱華、羅蔚茵,《力學(xué)》(二)2.2段).謝謝!

2011-01-19)