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《动能是动量的“影子”》

2019-06-14  物理网文

如何度量物体的运动能力?答案很简单:动能和动量。这已得到了普遍承认。但是,动能和动量哪个是反映物体运动本质的物理量呢?这篇文章要探讨的就是这个问题。
17世纪,德国物理学家莱布尼茨在一篇论文中,挑起了关于运动量的争论。文章质疑笛卡尔等人提出的“由于上帝的恩赐,世上存在着一个永恒不变的量”的自然规律——动量守恒。莱布尼茨提出:力必须由它所产生的效果来衡量,而不能用“物体”(质量)与速度的乘积来衡量。他建议用mv2而不是mv来量度物体“运动的力”。
机械运动量度的问题在欧洲大批数学家、物理学家和哲学家之间引起了持续半个多世纪的争论。1743年法国力学家达朗贝尔调和了这场争论,在他的著作《动力学论》的绪言里,指出了两种量度同样有效。他称这场争论是“毫无意义的咬文嚼字的争吵。”
关于动能与动量的争论,恩格斯的结论是:“机械运动确实有两种量度,每一种量度适用于某个界限十分明确的范围之内的一系列现象。一句话,动量是以机械运动来量度的机械运动;动能是以运动转化为定量的其他形式的运动的能力来量度的机械运动。”
如今,人们达成如下共识:动能是物体运动的一种量度。它是从能量转化的角度,以机械运动转化为一定量的其他形式的运动的能力来量度机械运动的。在动能的转化过程中,动能的转化遵循能量的转化和守恒定律,动能反映出物体得到一定速度需要在多大的力的作用下,沿着力的方向移动多长的距离。动量也是物体运动的一种量度。它是从机械运动传递的角度来量度机械运动的。在机械运动传递的过程中,机械运动的传递遵循动量守恒定律。动量反映出物体得到一定速度需要多大的力,作用多长的时间。
动能和动量哪个是反映物体运动本质的物理量呢?这个问题本身能成立吗?问题能否成立,首先要搞清楚运动的本质是什么?而“运动的本质是什么?”这个看似简单的问题,教科书上并没有明确的答案。所以,我们只能从一些现存的物理现象去研究判断。
我曾经在文章《动能详谬意味着什么?》中提出:动量是第一性的,动能是第二性的。或者说,动量守恒是本质,动能守恒是表象。
假设一罐燃料燃烧给予太空中火箭一个恒定的推动力F,使火箭匀加速直线运动,火箭质量为m,该罐燃料燃烧殆尽所需时间为t,该罐燃料开始推动火箭时,火箭的初速度为v1,燃料燃烧殆尽时火箭的速度为v2。
可知,该罐燃料使火箭获得了一个冲量为:p2-p1=mv2-mv1=Ft,F和t是定量,所以该冲量是一定的,不随火箭初速度的变化而改变;同样,v2-v1是一个定量。但是,火箭获得的动能增量却随着初速度的不同而不同。E2-E1=FS(S为火箭在t时间内所飞过的路程),初速度v1越大,s越大,动能的增量就越大。
一定质量的燃料所输出的能量与获得能量的物体的初速度有关,初速度越大,燃料输出的能量越大。也就是说一定质量的燃料所具有的能量不是一个定量。这显然是荒谬的。我们可以把这一矛盾命名为动能详谬。
动能详谬产生的原因在于:两个变量之差如果一定,那么这两个变量的平方之差就是变量。比如a-b=1,当a=2时,b=1;当a=3时,b=2;当a=4时,b=3……但是,当a=2、b=1时,a^2-b^2=3;当a=3、b=2时,a^2-b^2=5;当a=4、b=3时,a^2-b^2=7……
动能详谬意味着什么?这个问题非常值得研究。我们是不是可以说,一定质量的燃料可以产生一定量的动量,而产生的动能是不一定的。据此,我们是不是可以大胆断言:动量是第一性的,动能是第二性的。或者说,动量守恒是本质,动能守恒是表象。
回到文章的题目《动能是动量的“影子”》,我们是不是可以假定:动量是反映物体运动本质的物理量,动能只是物体运动本质派生出来的物理量;动量守恒是物体运动的本质规律,机械能守恒只是物体运动的效果。
有了这个假定,下一步探索运动的本质就有了方向。我有这样的直觉:季灏实验的迷惑以此可解,相对论的谬误以此可证。

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