论永动机与时间.doc

论永动机与时间论文摘要：人们寻找制造出一台永动机，一直是一代代科学家的梦想，但一代代一批批的梦想者们都失败了，在历史上，永动机从来就没有从理想走向现实，从概念变成产品。因此人们得出了一个结论，那就是这世上没有永动机。可是真的没有永动机吗？还是他与哥德巴赫猜想一样是一座高不可攀的山峰呢？我们知道。没有一种物质的速度能够超过光速，也没有一种物质的温度能降至绝对零度。可最近欧洲科学家发现了中微子超越了光速。如果这是真的，那么阿尔伯特爱因斯坦的相对论会被完全颠覆。那么永动机能不能存在，哥德巴赫猜想能否被证明，物质能否降低到绝对零度，中微子能否超光速，我们暂时还不能下定论。论文关键词：永动机 哥德巴赫猜想 绝对零度 中微子一、关于永动机 普希金的作品骑士时代的几个场面里，就曾经描写过一位名叫别尔托尔德的幻想家： 什么叫做perpetuummobile（永动机的拉丁文）？马尔丁问。 “perpetuummobile，”别尔托尔德回答他说，“就是永恒的运动。只要我能够想法得到永恒的运动，那么我就将设法望到人类创造的边缘你可知道，我亲爱的马尔丁！炼制黄金自然是一件动人的工作，这方面的发现可能也是有趣而且有利的，但是，如果得到了perpetuummobile啊” 人们曾经想出几百种“永动机”，但是这些永动机没有一架曾经转动过。每一个发明家，就像我们所举的例子里那样，在设计的时候总有某一方面给忽略了，这就破坏了整个设计。这儿是另外一种想象的永动机：一只圆轮，里面装着可以自由滚动的沉重的钢球 当然，这只轮子看来虽然像真的是由于沉重钢球的滚动在旋转，但它实际上只是由一架隐蔽着的电动机来带动的。 有一架广告用的“永动机”给我添了许多麻烦。我的工人学生们，看到了这个东西之后，对于我苦口婆心说明的永动机不可能制造的一切证明都怀疑起来。那架“永动机”上的球儿，滚来滚去的，果然在转动着那只轮子，而且还被这只轮子举高起来，这比各种证明更有说服力；他们不肯相信这架“永动机”只是受到发电厂送来的电流作用才转动的。幸好那时候电厂在例假日都停止送电，这才使我有机会解决这个问题。我告诉学生在例假日再去看看，他们照样做了。 “怎么样，看到那永动机了吗？”我问。 “没有，”那些学生红着脸回答说，“我们看不见它：它给报纸遮住了”能量守恒定律终于又得到了那些学生的信任，而且再也不会失去这个信任了。由上，我们知道了永动机的概念，永动机是指违反力学基本定律的永不停止运动的发动机。历史上，人们提出了很多种永动机的制作方案。虽然人们经过多种尝试，做了多种努力，但永动机无一例外的归于失败。人们把这种不消耗能量的机器叫第一类永动机。能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有的制造能量，因此第一类永动机是不可能造出来的。能不能制造完全将不同种形式互相转化而无损失的热机呢？这种热机无冷凝器，只有单一的热源，它从这个单一的热源吸收的热量，可以全部用来做功，而不引起其他变化。不能！人们把这种想象中的热机称为第二类永动机。它虽然不违反能量守恒定律，但因为机械能和内能的转化具有方向性，它也不可能实现。我们先来介绍第一类永动机，如图这是一个密闭的容器，中间用一块隔板隔开两边的液体左边装有水银，右边则是水，在隔板的中间放入一个能够漂浮在水面上的球，因为水银的密度大于水的密度，所以球左边的浮力一定大于右边的浮力，所以球会顺时针不停的转动。这就是文艺复兴时期伟大的画家、寓言家、雕塑家、发明家、哲学家、音乐家、医学家、生物学家、地理学家、建筑工程师和军事工程师达芬奇老先生所设计的永动机。但是令达老先生失望的是，他试验了几次以后，发现全部失败了，于是他果断地放弃了永动机的设计。这是为什么呢？事实上，由杠杆平衡原理可知，上面两个设计中，右边每个重物施加于轮子的旋转作用虽然较大，但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明，总会有一个适当的位置，使左右两侧重物施加于轮子的相反方向的力矩恰好相等，互相抵消，使轮子达到平衡而静止下来。又过了200年，意大利的一位机械师斯特尔又提出了一个永动机的设计方案。他在设计时认为，由上面水槽流出的水，冲击水轮转动，水轮在带动水磨转动的同时，通过一组齿轮带动螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想，整个装置可以这样不停地运转下去，并有效地对外做功。就像这样：但实际上，流回水槽的水越来越少，很快水槽中的水就全部流进了下面的蓄水池，水轮机也就停止了转动。此外，人们还提出过利用轮子的惯性，电磁力等获得有效动力的种种永动机设计方案，但都无一例外地失败了。其实，在所有的永动机设计中，我们总可以找出一个平衡位置来，在这个位置上，各个力恰好相互抵消掉，不再有任何推动力使它运动。所有永动机必然会在这个平衡位置上静止下来，变成不动机。17世纪和18世纪时期，人们又提出过各种永动机设计方案，有采用“螺旋汲水器”的，有利用轮子的惯性、水的浮力的，也有利用同性磁极之间排斥作用的。通过不断的实践和尝试，人们逐渐认识到：任何机器对外界做功，都要消耗能量。不消耗能量，机器是无法做功的。这时的一些著名科学家斯台文、惠更斯等都开始认识到了用力学方法不可能制成永动机。 19世纪中叶，一系列科学工作者为正确认识热功能转化和其它物质运动形式相互转化关系做出了巨大贡献，不久后伟大的能量守恒和转化定律被发现了。人们认识到：自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递的过程中能量的总和保持不变。能量守恒的转化定律为辩证唯物主义提供了更精确、更丰富的科学基础。在制造第一类永动机的一切尝试失败之后，一些人又梦想着制造另一种永动机，希望它不违反热力学第一定律，而且既经济又方便。比如，这种热机可直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为机械功。由于海洋和大气的能量是取之不尽的，因而这种热机可永不停息地运转做功，也是一种永动机。然而，在大量实践经验的基础上，英国物理学家开尔文于1851年提出了一条新的普遍原理：物质不可能从单一的热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其它影响。这样，第二类永动机的想法也破产了。层出不穷的永动机设计方案，都在科学的严格审查和实践的无情检验下一一失败了。能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，只能从一种形式转化成另一种形式或者从一个物体转移到另一个物体。在转化和转移过程中，能量的总和不变，这就是能量守恒定律了。所以第一类永动机是不能做出来的。而能量的转化和转移是有方向的，就像热量可以自发的由热的物体转移到冷的物体，但不能自发的由冷的物体转移到热的物体，而不引起其他的变化，所以第二类永动机也是不能做出来的。虽然我知道永动机是不可制造的，但是我认为，给予永动机源源不断的力的来源只有可能是重力、浮力、磁力等等这一类不会消失殆尽的力。其实超导体的磁悬浮也是一个不错的办法。可永动机不过是一个遥远的梦。二、关于哥德巴赫猜想说到永动机，我们就不能不提哥德巴赫猜想。直至今天，当我们问3分之2的中国人，陈景润证明了什么的时候，谁都会很有把握地说：“陈景润证明了1+1=2！”，可著名的哥德巴赫猜想只是1+1=2吗？哥德巴赫猜想（Goldbach Conjecture）大致可分为两个猜想（前者称强或二重哥德巴赫猜想，后者称弱或三重哥德巴赫猜想）：1.每个不小于6的偶数都可以表示为两个奇素数之和；2.每个不小于9的奇数都可以表示为三个奇素数之和。考虑把偶数表示为两数之和，而每一个数又是若干素数之积。把命题每一个大偶数可以表示成为一个素因子个数不超过a个的数与另一个素因子不超过b个的数之和记作a+b，那么哥德巴赫猜想就是要证明1+1成立。1966年陈景润证明了1+2成立，即任何一个大偶数都可表示成一个素数与另一个素因子不超过2个的数之和。所以证明1+1就是要证明“任何一个大偶数都可以表示成一个素数与另一个素因子等于1个数的和。证明哥德巴赫猜想与证明永动机一样高不可攀，是一个遥远的梦。只不过我们不能找到推翻哥德巴赫猜想的理由美籍生物博士许引明教授（右）回国参加校庆时，与著名数学家陈景润（左）交谈。三、关于绝对零度、中微子与时间绝对零度，是可能达到的最低温度。在绝对零度下，原子和分子拥有量子理论允许的最小能量。绝对零度就是开尔文温度标（简称开氏温度标，记为K）定义的零点；0K等于273.15，而开氏温度标的一个单位与摄氏1度的大小是一样的。而绝对零度与时间又有什么关系呢？绝对零度在宇宙中是存在的，在宇宙的某些地方，当巨大的能量被黑洞吸走时产生绝对零度，由于时间也是一种能量形式，所以在那一刻，时间也是停止的。宇宙中有存在绝对零度的地方，甚至有低于绝对零度的地方，那些低于绝对零度的情况由反物质构成。也就是说我们的分子运动需要提供能量，而反物质运动则吸收能量，所以绝对零度可以达到，只不过我们没有发现，也没法发现。正如数字有正负，电流有正负，性别有男女一样，那就一定有低于绝对零度的负温度。尽管我们的科学家已创造出十分逼近绝对零度的温度，在1995年，科罗拉多大学和美国国家标准研究所的两位物理学家爱里克科内尔和卡尔威曼成功地使一些铷原子达到了令人难以置信的温度，即达到了绝对零度之上的十亿分之二十度。科学家在对绝对零度的研究中，发现了一些奇妙的现象。如氦是气体，在-268.9时变成液体，当温度持续降低时，原本装在瓶子里的液体，却轻而易举地从只有0.01毫米的缝隙中，很容易地溢到瓶外去了，继而出现了喷泉现象，液体的粘滞性也消失了。这就是奇妙的科学，本来已经近在咫尺，但它却远在天边，我们现在的科学还不足以解决这些世界性的难题，不过我相信，一定有一天，我们能够实现这些遥不可及的梦想。另外，最近我们都知道一件惊动世界的大事，也是关于时间的，那就是中微子超越了光速，时间旅行成为可能。2007年3月21日，欧洲大型强子对撞机发射中微子束隧道，宛如时间机器九月，一颗以诡异著名的微小粒子中微子跑出史上最好成绩，比光速还快。科学界少见地一起陷入激动的高潮！如果这是真的，“光速不可超越”的物理学界定律将成悖论，以爱因斯坦相对论奠基的现代物理学大厦需要重新构建。接下来呢？时间旅行可能成为现实的狂想。但等一下，科学总在证伪中进步没错，但是爱因斯坦真的错了吗？在物理世界中，没有哪种粒子能够像中微子那样神秘。它个头超小，几乎无质量，不带电荷，理论上会以光速运行，可以轻松穿越几乎一切物质。它也是最难捕捉的粒子，被称为“幽灵粒子”。但它或许可以解开宇宙起源最深的奥秘。 如今，全球已经有多个昂贵、巨大的探测器在捕捉中微子。这些探测器