定律-能量守恒定律 20100727.pdf

能量守恒定律能量守恒定律 科技名词定义科技名词定义 中文名称 能量守恒定律 英文名称 law of energy conservation 定义 各种能量形式互相转换是有方向和条件限制的 能量互相转换时其量值不变 表明 能量是不能被创造或消灭的 所属学科 资源科技 一级学科 能源资源学 二级学科 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 百科名片百科名片 能量守恒定律 能量既不会凭空产生 也不会凭空消失 它只能从一种形式转化为其他形式 或者从一个物 体转移到另一个物体 在转化或转移的过程中 能量的总量不变 这就是能量守恒定律 如 今被人们普遍认同 定律内容定律内容 1 自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应 物体运动具有机械能 分 子运动具有内能 电荷的运动具有电能 原子核内部的运动具有原子能等等 2 不同形式的能量之间可以相互转化 摩擦生热是通过克服摩擦做功将机械能 转化为内能 水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起 表明内能转化为机械 能 电流通过电热丝做功可将电能转化为内能等等 这些实例说明了不同形式的能 量之间可以相互转化 且是通过做功来完成的这一转化过程 3 某种形式的能减少 一定有其他形式的能增加 且减少量和增加量一定相等 某 个物体的能量减少 一定存在其他物体的能量增加 且减少量和增加量一定相等 能量守恒的具体表达形式能量守恒的具体表达形式 保守力学系统 在只有保守力做功的情况下 系统能量表现为机械能 动能和位 能 势能 能量守恒具体表达为机械能守恒定律 热力学系统 能量表达为内能 热量和功 能量守恒的表达形式是热力学第一定 律 相对论性力学 在相对论里 质量和能量可以相互转变 计及质量改变带来能量 变化 能量守恒定律依然成立 历史上也称这种情况下的能量守恒定律为质能守恒定 律 总的流进系统的能量必等于总的从系统中流出的能量加上系统内部能量的变化 能量能够转换 从一种形态转变成另一种形态 系统中储存能量的增加等于进入系统的能量减去离开系统的能量 能量守恒定律的重要意义能量守恒定律的重要意义 能量守恒定律 是自然界最普遍 最重要的基本定律之一 从物理 化学到地质 生物 大到宇宙天体 小到原子核内部 只要有能量转化 就一定服从能量守恒的规 律 从日常生活到科学研究 工程技术 这一规律都发挥着重要的作用 人类对各种 能量 如煤 石油等燃料以及水能 风能 核能等的利用 都是通过能量转化来实现 的 能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器 能量守恒和转化定律的发现能量守恒和转化定律的发现 能量守恒和能量转化定律与细胞学说 进化论合称19 世纪自然科学的三大发现 而其中能量守恒和转化定律的发现 却是和一个 疯子 医生联系起来的 这个被称为 疯子 的医生名叫迈尔 1814 1878 德国汉堡人 1840 年开始在 汉堡独立行医 他对万事总要问个为什么 而且必亲自观察 研究 实验 1840 年 2 月 22 日 他作为一名随船医生跟着一支船队来到印度尼西亚 一日 船队在加尔各 达登陆 船员因水土不服都生起病来 于是迈尔依老办法给船员们放血治疗 在德国 医治这种病时只需在病人静脉血管上扎一针 就会放出一股黑红的血来 可是在这里 从静脉里流出的仍然是鲜红的血 于是 迈尔开始思考 人的血液所以是红的是因为 里面含有氧 氧在人体内燃烧产生热量 维持人的体温 这里天气炎热 人要维持体 温不需要燃烧那么多氧了 所以静脉里的血仍然是鲜红的 那么 人身上的热量到底 是从哪来的 顶多 500 克的心脏 它的运动根本无法产生如此多的热 无法光靠它维 持人的体温 那体温是靠全身血肉维持的了 而这又靠人吃的食物而来 不论吃肉吃 菜 都一定是由植物而来 植物是靠太阳的光热而生长的 太阳的光热呢 太阳如果 是一块煤 那么它能烧 4600 年 这当然不可能 那一定是别的原因了 是我们未知 的能量了 他大胆地推出 太阳中心约 2750 万度 现在我们知道是 1500 万度 迈尔越想越多 最后归结到一点 能量如何转化 转移 他一回到汉堡就写了一篇 论无机界的力 并用自己的方法测得热功当量为 3 65 千克米 千卡 他将论文投到 物理年鉴 却得不到发表 只好发表在一本名不 见经传的医学杂志上 他到处演说 你们看 太阳挥洒着光与热 地球上的植物吸 收了它们 并生出化学物质 可是即使物理学家们也无法相信他的话 很不尊敬 地称他为 疯子 而迈尔的家人也怀疑他疯了 竟要请医生来医治他 他因不被人理 解 终于跳楼自杀了 和迈尔同时期研究能量守恒的还有一个英国人 焦耳 1818 1889 他自幼 在道尔顿门下学习化学 数学 物理 他一边经营父亲留下的啤酒厂 一边搞科学研 究 1840 年 他发现将通电的金属丝放入水中 水会发热 通过精密的测试 他发 现 通电导体所产生的热量与电流强度的平方 导体的电阻和通电时间成正比 这就 是焦耳定律 1841 年 10 月 他的论文在 哲学杂志 上刊出 随后 他又发现无论 化学能 电能所产生的热都相当于一定功 即 460 千克米 千卡 1845 年 他带上自 己的实验仪器及报告 参加在剑桥举行的学术会议 他当场做完实验 并宣布 自然 界的力 能 是不能毁灭的 哪里消耗了机械力 能 总得到相当的热 可台下那 些赫赫有名的大科学家对这种新理论都摇头 连法拉第也说 这不太可能吧 更有 一个叫威廉 汤姆孙 1824 1907 的数学教授 他 8 岁随父亲去大学听课 10 岁正 式考入该大学 乃是一位奇才 而今天听到一个啤酒匠在这里乱嚷一些奇怪的理论 就非常不礼貌地当场退出会场 焦耳不把人们的不理解放在心上 他回家继续做着实验 这样一直做了 40 年 他把热功当量精确到了 423 9 千克米 千卡 1847 年 他带着自己新设计的实验又来 到英国科学协会的会议现场 在他极力恳求下 会议主席才给他很少的时间让他只做 实验 不做报告 焦耳一边当众演示他的新实验 一边解释 你们看 机械能是可 以定量地转化为热的 反之一千卡的热也可以转化为 423 9 千克米的功 突然 台下有人大叫道 胡说 热是一种物质 是热素 他与功毫无关系 这人正是汤姆孙 焦耳冷静地回答到 热不能做功 那蒸汽机的活塞为什么会动 能量要是不守恒 永 动机为什么总也造不成 焦耳平淡的几句话顿时使全场鸦雀无声 台下的教授们不 由得认真思考起来 有的对焦耳的仪器左看右看 有的就开始争论起来 汤姆孙碰了钉子后 也开始思考 他自己开始做试验 找资料 没想到竟发现了 迈尔几年前发表的那篇文章 其思想与焦耳的完全一致 他带上自己的试验成果和迈 尔的论文去找焦耳 他抱定负荆请罪的决心 要请焦耳共同探讨这个发现 在啤酒厂里汤姆孙见到了焦耳 看着焦耳的试验室里各种自制的仪器 他深深为 焦耳的坚韧不拔而感动 汤姆孙拿出迈尔的论文 说道 焦耳先生 看来您是对的 我今天是专程来认错的 您看 我是看了这篇论文后 才感到您是对的 焦耳看到 论文 脸上顿时喜色全失 汤姆孙教授 可惜您再也不能和他讨论问题了 这样一 个天才因为不被人理解 已经跳楼自杀了 虽然没摔死 但已经神经错乱了 汤姆孙低下头 半天无语 一会儿 他抬起头 说道 真的对不起 我这才知 道我的罪过 过去 我们这些人给了您多大的压力呀 请您原谅 一个科学家在新观 点面前有时也会表现得很无知的 一切都变得光明了 两人并肩而坐 开始研究起 实验来 1853 年 两人终于共同完成能量守恒和转化定律的精确表述 能量的转化和守恒定律有三种表述 永动机不能造成 能量的转化和守恒定律及 热力学第一定律 这三种表述在文献中是这样叙述的 热力学第一定律就是能量守 恒定律 根据能量守恒定律 所谓永动机是一定造不成的 反过来 由永动机 的造不成也可导出能量守恒定律 这里不难看出 三种表述是完全等价的 但笔者 认为 这种等价是现代人赋予它们的现代价值 若从历史发展的角度来考查就会发现 三种表述另有它连续性的一面 但还有差异性的一面 这种差异反映了人类认识定律 的不同阶段 1 定律的经验性表述 永动机是不可能造成的 1475 1824 很早以前 人类就开始利用自然力为自己服务 大约到了十三世纪 开始萌发了 制造永动机的愿望 到了十五世纪 伟大的艺术家 科学家和工程师达 芬奇 Leon ard do Vinci 1452 1519 也投入了永动机的研究工作 他曾设计过一台非常巧 妙的水动机 但造出来后它并没永动下去 1475 年 达 芬奇认真总结了历史上的和 自己的失败教训 得出了一个重要结论 永动机是不可能造成的 在工作中他还认 识到 机器之所以不能永动下去 应与摩擦有关 于是 他对摩擦进行了深入而有成 效的研究 但是 达 芬奇始终没有 也不可能对摩擦为什么会阻碍机器运动作出科 学解释 即他不可能意识到摩擦 机械运动 与热现象之间转化的本质联系 此后 虽然人们还是致力于永动机的研制 但也有一部分科学工作者相继得出了 永动机是不可能造成的 结论 并把它作为一条重要原理用于科学研究之中 荷兰的 数学力学家斯台文 SimonStevin 1548 1620 于 1586 年运用这一原理通过对 斯 台文链 的分析 率先引出了力的平行四边形定则 伽俐略在论证惯性定律时也应用 过这一原理 尽管原理的运用已取得了如此显著的成绩 但人们研制永动机的热情不减 惠更 斯 C Huygens1629 1695 在他 1673 年出版的 摆式时钟 一书中就反映了这种观点 书中 他把伽俐略 关于斜面运动的研究成果运用于曲线运动 从而得出结论 在重力作用下 物体绕水 平轴转动时 其质心不会上升到它下落时的高度之上 因而 他得出用力学方法不可 能制成永动机的结论 但他却认为用磁石大概还是能造出永动机来的 针对这种情况 1775 年 巴黎科学院不得不宣布 不再受理关于永动机的发明 历史上 运用 永动机是不可能制成 的这一原理在科研上取得最辉煌成就的是法 国青年科学家卡诺 sadi Carnot 1796 1832 1824 年 他将该原理与热质说结 合推出了著名的 卡诺定理 定理为提高热机效率指明了方向 也为热力学第二定律 的提出奠定了基础 但这里要特别强调的是 卡诺虽然将永动机不能造成的原理运用 于热机 但他的思想方法还是 机械的 他在论证时将热从高温热源向低温热源的流 动同水从高处向低处流动类比 认为热推动热机作功就像水推动水轮机作功一样 水 和热在流动中并无任何损失 可见 从 1475 年达 芬奇提出 永动机是不可能造成的 起到 1824 年卡诺推出 卡 诺定理 止 原理只能在机械运动和 热质 流动中运用 它远不是现代意义上的能量的 转化和守恒定律 它只能是机械运动中的能量守恒的经验总结 是定律的原始形态 1891 年 亥姆霍兹 H Helmloltz1821 1894 400 在回顾他研究力的守恒律的起因时说 如果永动机是不可能的话 那么在自然 条件下的不同的力之间应该存在什么样的关系呢 而且 这些关系实际上是否真正存 在呢 可见 永动机是不能造成的 还很肤浅 要认识它的深刻的内涵 还须人们付 出艰苦的劳动 2 定律的初期表述 力的守恒 1824 1850 能量的转比和守恒定律 的提出必须建立在 134 三个基础之上 对热的本质的正 确认识 对物质运动的各种形式之间的转化的发现 相应的科学思想 到十九世纪 这三个条件都具备了 1798 年 伦福特 C Rumford 1753 1814 向英国皇家学会提交了由炮筒实 验得出的热的运动说的实验报告 1800 年 戴维 D H Davy 1778 1829 用真空中摩擦冰块使之溶化的实验支持了伦福特的报告 1801 年 托马斯 杨 T homasYoung 1773 1829 在 论光和色的理论 中 称光和热有相同的性质 强 调了热是一种运动 从此 热的运动说开始逐步取代热质说 十八世纪与十九世纪之交 各种自然现象之间的相互转化又相继发现 在热向功 的转化和光的化学效应发现之后 1800 年发现了红外线的热效应 电池刚发明 就 发现了电流的热效应和电解现象 1820 年 发现电流的磁效应 1831 年发现电磁感 应现象 1821 年发现热电现象 1834 年发现其逆现象 等等 世纪之交 把自然看成是 活力 的思想在德国发展成为 自然哲学 这种哲学把 整个宇宙视为某种根源性的力的发现而引起的历史发展的产物 由这种观点看来 一 切自然力都可以看作是一种东西 当时 这种哲学思想在德国和西欧一些国家占有支 配地位 这时 力的守恒原理的提出就势在必行了 历史上 最早提出热功转换的是卡诺 他认为 热无非是一种动力 或者索性 是转换形式的运动 热是一种运动 对物体的小部份来说 假如发生了动力的消灭 那么与此同时 必然产生与消灭的动力量严格成正比的热量 相反地 在热消灭之处 就一定产生动力 因此可以建立这样的命题 动力的量在自然界中是不变的 更确切 地说 动力的量既不能产生 也不能消灭 同时他还给出了热功当量的粗略值 可惜 卡诺的这一思想是在他死了 46 年以后的 1878 年才被人们发现的 而这 之前的 1842 年 德国的迈耳 J R Mayer 1814 1878 400 最先发表了比较全面的 力的守恒 的论文 论无机界的力 文中他从 自然 哲学 出发 以思辩的方式 由 原因等于结果 的因果链演释出二十五种力的转化形式 1845 年 他还用定压比热容与定容比热容之差 Cp Cv R 计算出热功当量值为 1 卡等于 365g m 1843 年 英国实验物理学家焦耳 J P Joule 1818 1889 400 this style widt h 400 在 哲学杂志 上发表了他测量热功当量的实验报告 此后 他还进行了更多更 细的工作 测定了更精确的当量值 1850 年 他发表的结果是 要产生一磅水 在 真空中称量 其温度在 55 和 60 之间 增加华氏 1 的热量 需要消耗 772 英磅下落 一英尺所表示的机械功 焦耳的工作 为 力的守恒 原理奠定了坚实的实验基础 德国科学家亥姆霍兹于 1847 年发表了他的著作 论力的守恒 文中 他提出 了一切自然现象都应用中心力相互作用的质点的运动来解释 由此证明了活力与张力之和对中心力守恒的结论 进面 他还讨论了热现象 电 现象 化学现象与机械力的关系 并指出了把 力的守恒 原理运用到生命机体中去的 可能性 由于亥姆霍兹的论述方式很有物理特色 故他的影响要比迈耳和焦耳大 虽然 到此为止 定律的发现者们还是把能量称作 力 而且定律的表述也不够 准确 但实质上他们已发现了能量的转化和守恒定律了 将两种表述比较 可以看出 力的守恒 比 永动机不能造成 要深刻得多 力的守恒 涉及的是当已认识到的物质的 一切运动形式 同时 它是在一定的哲学思想指导下 迈耳 在实验的基础上 焦 耳 用公理化结构 亥姆霍兹 建立起的理论 如果现在仍用 永动机不能造成 来 表述定律的话 那已赋予它新的内涵了 即现在的机器可以是机械的 也可以是热的 电磁的 化学的 甚至可以是生物的了 同时 永动机不能永动的原因也得到揭示 另外 也要看到 力的守恒 原理虽然有焦耳的热功当量和电热当量的关系式 还有亥姆霍兹推出的各种关系式 但它们都是各自独立的 还没能用一个统一的解析 式来表述 因此 力的守恒 还是不够成熟的 3 定律的解析表述 热力学第一定律 1850 1875 要对定律进行解析表述 只有对 热量 功 能量 和 内能 这些概念的准确定 义才行 热量 的慨念早在十八世纪就给出了 就是热质的量 1829 年 蓬斯莱 J V Poncelet 1788 1867 在研究蒸汽机的过程中 明确定义了功为力和距离之积 而 能量 的概念则是 1717 年 J 伯努力 J Bernoulli 1667 1748 在论述虚位移时就 采用过了的 托马斯 扬于 1805 年就把力称为能量 用过了的 托马斯 扬于 1805 年 就把力称为能量 由此定义了扬氏模量 但他们的定义一直未被人们接受 难怪迈耳 焦耳和亥姆霍兹还用 力 来称为能量 这对定律的表述极不利 再加上热质说的影响 还远未肃清 因此 力的守恒 原理一直不为大多数人所接受 当然 也有一批有识之 士认识到定律的重大意义并为它的完善进行了卓有成效的工作 其中最著名的是英国 的 W 汤姆孙 W Thomson1824 1907 和德国的克劳修斯 R Clausius 1822 18 88 正是他们在前人的基础上提出了热力学第一和第二定律 由此建立了热力学理论 体系的大厦 1850 年 克劳修斯在德文版 物理学和化学年报 第 79 卷上 发表了 论热的 动力和能由此推出的关于热学本身的定律 的论文 文中指出 卡诺定理是正确的 但要用热运动说并加上另外的方法证明才行 他认为 单一的原理即 在一切由热产 生功的情况 有一个和产生功成正比的热量被消耗掉 反之 通过消耗同样数量的功 也能产生这样数量的热 是不够的 还得加上一个原理即 没有任何力的消耗或其它 变化的情况下 就把任意多的热量从一个冷体移到热体 这与热素来的行为相矛盾 来论证 他说 只有这佯 才能把热看成一种状态量 接下来他作了以下的十分重要 的工作 对于永久气体 下式成立 pV R 273 t 1 P 是压力 V 是单位质量的体积 t 是摄氏温度 再考虑微小的卡诺循环 可由 1 式得出这一过程中所做的功为 同时也可计算这一过程消耗的热量 设热功当量的系数为 A 应用焦耳原理 由 2 和 3 得 这时克劳修斯引进了一个新的态函数 U 4 式变为 对于这个新的态函数 他指出 其性质有如人们通常所说的那样 假定它为总热 量 是一个 V 和 t 的函数 由变化的过程的初态和终态完全确定 U U V t 6 就这样 他得出了热力学第一定律的解析式 dQ dU dW 7 我们知道 一个知识领域只有发展到了揭示和把握对象的规定和量的联系时 也 就是当用上了数学工具时 它才真正成为了一门科学 因此 只有到了这个时候 能 量的转化和守恒定律才同热力学第二定律的熵的表述一起构成了热力学的理论体系 的基础 1853 年 W 汤姆孙重新提出了能量的定义 他是这样说的 我们把给定状态中 的物质系统的能量表示为 当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定 的零态时 在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用之和 他还把态函数 U 称为内能 直到这时 人们才开始把牛顿的 力 和表征物质运动的 能量 区别开来 并广泛使用 在此基础上 苏格兰的物理学家兰金 W J M Rankine 1820 1872 才把 力的守恒 原理改称为 能量守恒 原理 热力学理论建立之后 很多人还是觉得不好理解 尤其是第二定律 为此 从 1 854 年起 克劳修斯作了大量的工作 努力寻找一种为人们容易接受的证明方法来解 释这两条原理 当时还是叫原理 并多次用通俗的语言进行宣讲 这样 直到 186 0 年左右 能量原理才被人们普遍承认 4 定律的准确表述 能量的转化和守恒定律 1875 1909 1860 年后 能量定律 很快成为全部自然科学的基石 特别是在物理学中 每一 种新的理论首先要检验它是否跟能量守恒原理相符合 但是 时至那时 原理的发 现者们还只是着重从量的守恒上去概括定律的名称 而没强调运动的转比 那到底是 什么时候原理才被概括成 能量的转比和守恒定律 的呢 从恩格斯在 反杜林论 的 一段论述中 可以得到问题的答案 恩格斯说 如果说 新发现的 伟大的运动基本规律 十年前还仅仅慨括为能 量守恒定律 仅仅概括为运动不生不灭这种表述 就是说 仅仅从量方面概括它 那 么这种狭隘的 消极的表述日益被那种关于能量的转化的积极表述所代替 在这里过 程的质的内容第一次获得了自己的权利 恩格斯这段话发表于 1885 年 他说十 年前消极表述日益被积极表述所代替 由此判断 能量的转化和守恒定律 这一准确 而完善的表述应形成于 1875 年或稍后一点 到此为止 似乎有关定律的一切问题都解决了 其实不然 我们知道 直到二十世纪初 热力学中的一个重要基本概念 热量还是沿用的 十八世纪的定义 而这个定义是以热质说为基础的 也就是说 在热力学大厦的基石 中还有一块是不牢固的 因此 1909 年 喀喇氏 C Caratheeodory 对内能进行了 重新定义 任何一个物体或物体系在平衡态有一个态函数 U 叫做它的内能 当这 个物体从第一态经过一个绝热过程到第二态后 它的内能的增加等于在过程中外界对 它所做的功 W U2 U1 W 8 这样定义的内能就与热量毫不相关了 它只与机械能和电磁能有关 在这一基础 上可以反过来定义热量 Q U2 U1 W 9 直到这个时候 热力学第一定律 能量的转化和守恒定律 第二定律及整个热 力学理论才同热质说实行了最彻底的决裂 综观全文 可知 能量的转化和守恒定律 的三种表述反映了人类认识这一自然规 律的历程 这三种表述一种比一种更深刻 一种比一种更接近客观真理 人类正是这 样一步一步地认识物质世界的 转载自作者 王骁勇 能量守恒定律的检验能量守恒定律的检验 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