再议经典力学的成就与局限性

中图分类号： G633.7 文献标识码：A 文章编号：

我们对物理这门学科并不陌生，早在17世纪，伟大的物理学家伽利略就曾想出用理想斜面来研究力和运动的关系。他开创了“观察实验、科学思维、与数学相结合的研究方法”，发现了惯性定律、自由落体规律、力学相对性原理，从此奠定了动力学的基础。而天才的物理学家牛顿将研究方法发挥到极至他在前人研究的基础上，采用归纳演绎、综合分析的方法，总结出牛顿运动定律和万有引力定律，建立了完整的经典力学。同时也确立了他在物理学界至高无上的地位,并被称为经典力学之父。但是人创造了历史必然也会受到历史的制约，因此经典力学有其巨大的成就性，但其也存在着局限性。

一、经典力学的成就

经典力学理论体系的完美和实用威力的强大使物理学家相信,天地四方,古往今来发生的一切现象都能够用力学来描述.许多科学家宣称物理学的大厦已基本建成，留给后人的只是补充与完善。经过三次革命，第一次,是一位年轻的物理学家几乎仅靠单枪匹马之力引发的。他就是伟大的理论物理学家，阿尔伯特•爱因斯坦。19世纪末科学家们发现,当研究有关光的问题时,用经典物理的理论解释一些相关现象,就会产生尖锐的矛盾.为了解决这一矛盾,爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论；第二次革命的导火索是物理学史上的三大发现：伦琴发现X射线、汤姆生发现电子、贝克勒耳发现天然放射线 ,使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界,人们发现,微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释，为了克服这一困难,德国物理学家普朗克大胆提出了量子的观点,爱因斯坦等物理学家又将量子论进一步丰富、发展，形成了现代量子力学理论.因此对其做出阐述是：经典物理对物理学思想和科学方法作了重点总结，它只适用于宏观低速的物体，相对论和量子论则适用于微观高速粒子的运动。因此，相对论和量子力学的建立,并不是对经典力学的否定。

二、经典力学的局限性

（一）绝对时间、绝对空间等基本概念引入。按照伟大的物理学家牛顿所阐述的是，绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着。绝对空间就其本性而言，是与任何外界事物无关而永远是相同的和不动的。绝对运动是一个物体从某一绝对的处所向另一绝对的处所的移动。但是莱布尼兹、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，指出过，没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。爱因斯坦推广了上述的相对性原理，提出狭义相对论。在狭义相对论中，长度和时间间隔也变成相对量，运动的尺相对于静止的尺变短，运动的钟相对于静止的钟变慢。在广义相对论中，时空的性质不是与物体运动无关的：一方面，物体运动的性质要决定于用怎样的空间时间参照系来描写它另一方面时空的性质也决定于物体及其运动本身。另一方面量子论的发展，对时间概念提出了更根本的问题。量子论的结论之一就是：对于一个体系在过去可能存在于什么状态的判断结果，要决定于在现今的测量中做怎样的选择。这种现在与过去之间的相互关系，是与因果顺序概念十分不同的，暗含于时间概念中的因果序列要求过去的存在应是不依赖现在的。因此，用时间来描述事件发生的顺序，可能并不总是合用的。空间与时间是事物之间的一种次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一种近似。

（二）牛顿虽然对引力作了抽象的、纯粹数学形式的概括，把它实际看作是一种直接的、即时传递的超距作用力。爱因斯坦的广义相对论对万有引力做出一种解释，就是时空本身是有弹性的，可以弯曲、伸展。当一个有质量的物体置于某一空间时，空间就会弯曲变形，质量越大，空间弯曲变形就越严重。那么，空间为什么会在有质量的物体周围弯曲呢？爱因斯坦也没能给出答案。所以，爱因斯坦的弯曲空间理论也没有说明引力的本质是什么。量子力学关于电荷间的电磁力和强子间的强相互作用力的传递原理的解释也没有说明引力的本质是什么。认为引力是通过引力场或引力子来传递的观点也未得到肯定，因而至今科学家也没有找到传递万有引力作用的引力子。

（三）在经典力学中物体的质量是恒定不变的，它与物体的速度或能量无关。在相对论中质量这一概念的外延就被大大地扩展了。.爱因斯坦著名的质能方程E=mc2使到原来在经典力学中彼此独立的质量守恒和能量守恒定律结合起来，成了统一的“质能守恒定律”，它充分反映了物质和运动的统一性。质能方程说明，质量和能量是不可分割而联系着的.一方面，任何物质系统既可用质量m来标志它的数量，也可用能量E来标志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少时，其质量也相应减少，另一个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加。爱因斯坦从力学的观点出发，考虑两个球体的弹性碰撞，利用动量守恒定理和相对论速度相加定理能够导出著名的质速度公式 ，该式说明，物体的质量不再是与其运动状态无关的量，它依赖于物体的运动速度。当物体的速度趋于光速时，物体的质量趋于无穷大。

（四）经典力学定律只适用于宏观低速世界，对于可与光速相比的高速情况和微观世界的适用问题，当时没有涉及也不可能涉及。

（五）在经典物理学中，最难使人满意之处恐怕莫过于对光的描述了。如果微粒说是正确的，那么人们不禁要问，当光被吸收的时候，组成光的粒子变成了什么呢？而且为了既表示可称量物质又表示光，必须在讨论中引入不同的实体，这无论如何也不能使人心安理得。

同样，纳入力学框架中的光的波动论也难以自圆其说。按照波动论，光被解释为充满宇宙空间的以太的振动。由于光是横波，因此以太必须具有承受切应力而不承受压应力的能力，又由于以太对可称量物质并不产生可观察到的阻力，它又必须具有极小的密度。为此，人们绞尽脑汁，臆想出种种以太模型。这种无所不能、无奇不有的以太反倒使人如堕五里雾中。在1865年，克劳修斯确立了热力学第二定律，该定律揭示出与热现象有关的物理过程具有不可逆性。在经典力学中，从来也未发现类似的情况，力学过程的可逆性是由普遍的力学原理作保证的。可是热力学第二定律也是普遍成立的，因此，这个矛盾是无法用力学的基本观念予以解释的。

总之，物理学在每一个历史时期都有它自己的基本概念和基本原理，而继后的时期人们又往往夸大它们的作用，不适当地把它们误用到其所能及的范围之外。为了消除这种误用，每个历史时期都需要一种新的启蒙，正是这种永不止息的启蒙精神，才使科学不致变为僵化的教条。

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