論經典力學的局限性

摘要：人類從愚昧走向文明，從神學走向科學，在認識自我的過程中，物理學起到了絕對重要的作用。而物理學的第一次顛覆時刻就是經典力學的建立。但創造歷史的人們總是不可避免地要受到歷史的制約，重點論述了經典力學的局限性。

關鍵詞：經典力學；牛頓；局限性

在高中階段，我們所學習的力學知識主要是以牛頓運動定律為基礎的經典力學。那么經典力學是如何形成的、它的局限性表現在哪些方面?讓我們一一解答。

一、經典力學的形成

17世紀牛頓力學構成了體系，可以說，這是物理學的第一次偉大綜合。牛頓建立了兩個定律，一個是運動定律，一個是萬有引力定律，并發展了變量數學微積分，具有了解決實際問題的能力。他開創了天體力學這一科學，海王星和冥王星的發現就充分證明了這一點。

二、經典力學的主要觀點

牛頓力學三定律構成了近代力學的基礎，也是近代物理學的重要支柱。牛頓對于力學最重要的貢獻則是萬有引力的發現。

牛頓的力學三定律和萬有引力定律把天體運動定律與地上物體運動定律統一起來，建立起經典力學的理論大廈。牛頓把他的力學理論應用于太陽系，解決了天體力學中的一系列問題。他拿出了計算太陽質量和行星質量的方法，證明了地球是一個赤道凸出的扁球，解釋了歲差現象，說明了潮汐的漲落，分析了彗星運動的軌跡和天體攝動現象等。

18世紀及以后的一系列事實，證實了牛頓力學的真理性，從而得到了廣泛的承認。對證實牛頓萬有引力定律有重要意義的事實，一是哈雷彗星的發現，二是地球形狀的證實，三是關于行星攝動現象的證實。此外，如關于引力常數G的測定等，也都證實了萬有引力定律。

三、經典力學的局限性

創造歷史的人們總是不可避免地要受到歷史的制約，牛頓當然也不例外。由于受到時代的局限，牛頓創立的經典力學的基本概念和基本原理存在著固有的局限性，主要表現在以下幾個方面：

1.引入了絕對時間、絕對空間等基本概念

按照牛頓的說法，絕對的、真正的和數學的時間自身在流逝著，而且由于其本性均勻地、與任何其他外界事物無關地流逝著。絕對空間就其本性而言，是與任何外界事物無關、永遠是相同的和不動的。絕對運動是一個物體從某一絕對處所向另一絕對處所的移動。

萊布尼茲、貝克萊、馬赫等先后都對絕對空間、時間觀念提出過有價值的異議，但卻沒有證據能表明牛頓絕對空間的存在。愛因斯坦推廣了上述的相對性原理，提出了狹義相對論。在狹義相對論中，長度和時間間隔也變成了相對量，運動的尺相對于靜止的尺變短，運動的鐘相對于靜止的鐘變慢。在廣義相對論中，時空的性質不是與物體運動無關的：一方面，物體運動的性質要決定于用怎樣的空間時間參照系來描寫它；另一方面，時空的性質也決定于物體及其運動本身。

量子論的發展，對時間概念提出了根本的問題。量子論的結論之一就足：對于一個體系在過去可能存在于什么狀態的判斷結果，要決定于在現今的測量中做怎樣的選擇。這種現在與過去之間的相互關系，是與因果順序概念十分不同的，暗含于時間概念中的因果序列要求過去的存在應是不依賴于現在的。

因此，用時間來描述事件發生的順序，可能并不總是合適的。空間與時間是事物之間的一種次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一種近似。

2.在經典力學中，物體的質量是恒定不變的，它與物體的速度或能量無關

在相對論中質量這一概念的外延被大大地擴展了。愛因斯坦著名的質能方程E=mc²使原來在經典力學中彼此獨立的質量守恒和能量守恒定律結合起來，成了統一的“質能守恒定律”，它充分反映了物質和運動的統一性。質能方程說明，質量和能量是不可分割而聯系著的。一方面，任何物質系統既可用質量m來表志它的數量，也可用能量E來表志它的數量；另一方面，一個系統的能量減少時，其質量也會相應減少，另一個系統接受而增加了能量時，其質量也相應地增加。

3.經典力學定律只適用于宏觀低速世界

經典力學定律只適用于宏觀低速世界，對于可與光速相比的高速情況和微觀世界的適用問題，當時沒有涉及也不可能涉及。1905年，出生于德國的美籍物理學家阿爾伯特·愛因斯坦發表了狹義相對論。這個理論指出在宇宙中唯一不變的是光線在真空中的速度，其他任何事物——速度、長度、質量和經過的時間，都隨觀察者的參考系而變化。

同樣，納入力學框架中的光的波動論也難以自圓其說。按照波動論，光被解釋為充滿宇宙空間的以太的振動。由于光是橫波，因此以太必須具有承受切應力而不承受壓應力的能力，又由于以太對可稱量物質并不產生可觀察到的阻力，它又必須具有極小的密度。為此，人們絞盡腦汁，臆想出種種以太模型。這種無所不能、無奇不有的以太反倒使人如墜霧中。

經典力學的基本概念和基本原理在熱力學中也遇到了一些麻煩。1865年，克勞修斯確立了熱力學第二定律，該定律揭示出與熱現象有關的物理過程具有不可逆性。在經典力學中，從未發現類似的情況，力學過程的可逆性是由普遍的力學原理作保證的。可是熱力學第二定律也是普遍成立的，因此，這個矛盾是無法用力學的基本觀念予以解釋的。

四、廣義相對論的提出

由于牛頓定律給狹義相對論提出了困難，即任何空間位置的任何物體都要受到力的作用。因此，在整個宇宙中不存在慣性觀測者。愛因斯坦為了解決這一問題又提出了廣義相對論。

狹義相對論最著名的推論是質能公式，它說明了質量隨能量的增加而增加，它也可以用來解釋核反應所釋放的巨大能量，但它不是導致原子彈誕生的原因。而廣義相對論所預言的引力透鏡和黑洞，與有些天文觀測到的現象符合。

傳統上，在愛因斯坦剛剛提出相對論的初期，人們以所討論的問題是否涉及非慣性參考系作為狹義與廣義相對論分類的標志。隨著相對論理論的發展，這種分類方法越來越顯示出其缺陷——參考系是跟觀察者有關的，以這樣一個相對的物理對象來劃分物理理論，被認為不能真實地反映問題的本質。目前，一般認為，狹義與廣義相對論的區別在于所討論的問題是否涉及引力(彎曲時空)，即狹義相對論只涉及那些沒有引力作用或者引力作用可以忽略的問題，而廣義相對論則是討論有引力作用時的物理學的。用相對論的語言來說，就是狹義相對論的背景時空是平直的，即四維平凡流型配以閔氏度規，其曲率張量為零，又稱閔氏時空；而廣義相對論的背景時空則是彎曲的，其曲率張量不為零。

事實上，物理學在每一個歷史時期都有它自己的基本概念和基本原理，而繼后的時期人們又往往夸大它們的作用，不適當地把它們誤用到其所能及的范圍之外。為了消除這種誤用，每--W歷史時期都需要一種新的啟蒙，正是這種永不止息的啟蒙精神，才使科學不致變為僵化的教條。

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(作者單位 山西省大同市農業機械化學校)