18-2 能量概念的演化

 

 

        人类自古以来，通过一代代辛苦劳作，一辈辈不断进化，在日常生活和生产实践中，逐步学会了用推、提、拖、运等不同的方法，全靠人的体力来推动、提升、拖拉、搬运各种各样的物体。逐渐积累了一种朴素自然的“力到物动”的初步认识。

    在极其落后的人类古代社会，食、衣、住、行等最基本的生存条件，全靠人的双手和极为简单的工具来维系。人力成为了一种唯一的生存能力。

    那时，人们通常把力称为力气。

    人们在日常生产劳动之余，有时也会聚集在一起通常用射箭、举石锁等方式，比试比试看谁的力气最大。

   
         相传就有一个秦武王举鼎身亡的故事；

    秦武王，姓赢名荡。算起来应该是秦始皇爷爷的爷爷的爷爷。据说此人力大无比，秦人本就崇尚武力，他更喜欢结交大力士，平时喜欢和人比手劲、较力气，人称大力王。

    公元前307年，时年二十三岁的秦武王大战获胜后，兴致勃勃前往周都王城，在周朝太祖庙看到九鼎，传说此九鼎是大禹治水以后为九州所制，一州一鼎故为九鼎。坊间所传的一言九鼎，意思是说王者的话全天下没有人敢不听。

    秦武王一见九鼎，立马来神，一定要与大力士乌获、孟贲比赛举鼎。两名手下，一个不敢比试甘拜下风，一个则拼命抱鼎终使鼎足离地，已是眼睛充血眼球突出无奈只得收埸。——大概重400千克。能抱得鼎起已属奇迹，想举起它来只能是找死。

    秦武王嬴荡呵呵两声，磨拳擦掌运足全力抱起鼎身，鼎足离地正待移步转身突然力尽失手，其鼎坠地，鼎足重重砸在自己脚上，将胫骨压断而血流不止。虽尽经全力抢救，终究气绝身亡。

    清光绪年间出土于陕西法门寺附近的大克鼎，为西周中期著名重器，口径约76厘米，鼎高约93厘米，鼎重约200千克。据说秦武王嬴荡所举九鼎之鼎要比大克鼎重约一倍

 

    天下百姓的力气大多还是用在维持生存、提高劳动效率上——有了力气，才能农耕收获、织布制衣、伐木盖房、制造工具···。

    大量工具的制造和各类工具效率的不断改进提高，大大提高了生产效率，促进了人类社会的进化、发展。

    由于人的力气关系到人类的生存和发展。因此，自古以来人类就开始了对力的关注和探索。

 

   
         早在2500多年前，我国古代哲学家、思想家墨子（约公元前476年～390年）在《墨经》的《经上》中就有过关于“力”的论述；

     “力，刑之所以奋也。”。

    古代把人体叫做“刑”，即“形”。墨子从人的身体变化引伸出力的概念；力，是使人的身体运动发生变化即使物体运动的原因。

    《经说上》：“力：重之谓。下、与；重，奋也。”

    这里“与”指举物向上； “下”指物体落下；“重”讲的是与物体相对的力量；“奋”是指运动。意思是说；举物向上是人体运动抵抗与物体相对力量作用的结果。

 

    中国古代的科学大花园内，群星争艳、百花齐放、硕果累累。无奈其文言文写就的全部著作难以充分表达其科学表述。而且，读起来也着实不太好懂——即使你是一个中国人。更不用提把它翻译成西方人能够阅读理解的文字了。文言文无疑成为中国博大精深的学术成果传播和交流的 巨 大障碍。以至不少外国人由于看不懂文言文而不了解古代中国。说古代中国没有哲学，更没有科学。这完全是错误的。

 

 

   
        古希腊著名百科全书式的先哲亚里士多德（公元前384年～公元前322年）。是西方系统研究力与运动最早且卓有成效的科学家。

    比中国墨子晚出生约100年的亚里士多得也肯定了力是运动的原因，并把力分成''有限的力”和“无限的力”。他认为力是维持物体运动的原因，力与速度直接相联系。

    亚里士多德在力与运动研究中最著名的结论是关于“第一推动者”的论断；

    宇宙的全部运动必定有一个最先的推动者——即第一推动力。有了第一推动者才能让世间万物运行起来。使宇宙无限的持续运动下去。

    亚里士多德的研究结论在当时被认为是正确的。并且作为力学古典理论统治了科学界一千多年。

 

    意大利物理学家伽利略（1564--1642）是第一个把实验引进力学的科学家，自由落体运动实验验证便是一例；

    伽利略设计了斜面滚球实验，测量从斜面上的光滑小槽内往下滚动的青铜小球的行程与时间的关系。并采用精密的漏壶，反复实验了几百次。最终肯定了落体作匀加速运动设想的正确性。

    伽利略从1实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等。从而推翻了亚里士多德物理学的许多错误推断，奠定了经典力学的基础，

 

    艾萨克·牛顿（1643年1月4日—1727年3月31日），经典力学体系的建造者。

    
        牛顿在伽利略等人取得成果的基础上进行更为深入地探索研究，总结出了物体运动的三个基本定律（即牛顿三定律）；

    第一定律，即惯性定律

    第二定律，是力的瞬时作用规律。

    第三定律，作用与反作用力定律

    牛顿也是万有引力定律的发现者。

    牛顿认为；

    力是物体对物体的作用，力不能脱离物体而单独存在。

    两个不直接接触的物体之间也可能产生力的作用。

    牛顿力学三定律和万有引力定律，成为经典力学科学体系建立的基石。

    牛顿，也成为在力学研究领域功绩卓越、划时代的一代伟人。

    牛顿，还对光学研究取得了丰硕的成果。

    
        后来科学家们根据力与物体在运动中所具有的特点，把运动物体的能力叫做“活力”，把静止运动中的力称为“死力。”

 

    德国学者莱布尼兹（1646－1716），是最早精确研究“活力”的科学家。

    1776年,英国发明家詹姆斯·瓦特，制造出了第一台用烧煤产生蒸汽进行机械运动的热机——有实用价值的蒸汽机，

    以后经不断改进，在工业上得到了快速广泛地应用。蒸汽机的出现引发了18世纪的世界工业革命。

    为了纪念詹姆斯·瓦特的伟大功绩，把功率的单位定为“瓦特，符号W，（简称“瓦”）。

    蒸汽机地广泛使用，引起了人们对热机的极大兴趣。对“热”的研究兴盛不衰。

 

    安托万-洛朗·德·拉瓦锡，人类历史上最伟大的化学家。被后世尊称为"化学之父" 。

    1777年，拉瓦锡通过蒸馏水试验、钟罩实验、金属煅烧等多个实验，证明了燃烧放出光和热的本质是氧化作用的结果。根据实验验证的结论，拉瓦锡向法国科学院提交了划时代的《燃烧概论》的划时代著名论文。从此燃烧的氧化学说推翻了燃素说。

 

    1777年,荷兰科学家扬· 英根豪斯通过500多次试验，证明绿色植物只有在阳光照射的情况下，才能吸收二氧化碳并排出氧气。他的实验结果为认识植物的光合作用奠定了基础。

    1779年，他发表了《蔬菜试验》一书。

    多年以后，“光合作用”一词才开始使用。

 

    本杰明·汤普森, 也称拉姆福德伯爵：英国美籍科学家。，

    1798年1月，发表题为《论摩擦激起的热源》的论文，宣告了他通过多次炮筒钻孔实验而得出的“摩擦运动产生热”的结论。否定了热质说，推翻燃素原理。确立了热的运动本质学说。

 

    亚历山德罗·朱塞佩·安东尼奥·安纳塔西欧·伏特伯爵，意大利物理学家。

    1799年，伏特以食盐水、银和锌圆形板等材料制造出世界上最早的“伏特电池”。

    1800年，他宣布发明了可以产生电流的伏打电池——不同金属在电解质溶液间接触之后，溶液中的离子定向移动从而产生电流的神奇发明。

 

   
         托马斯·杨，医学博士、世界著名物理学家。

    1807年，托马斯·杨在伦敦国王学院讲学时最早提出“能量”这个词——以替代当时含混不清的“活力”和“上升力”的概念。能量定义为物体的质量乘以它速度的平方。

    托马斯.扬是近代最早提出“能量”这一词的科学家。。

 

    奥斯特，全名汉斯·克里斯蒂安·奥斯特，丹麦著名物理学家。

    1820年，奥斯特发表的《论磁针的电流撞击实验》的论文，向世界宣告了电流具有磁效应的新发现。

    奥斯特关于电流磁效应的新发现；证明了电和磁能相互转换，这一伟大理论为电磁学的深入研究奠定了基础。

 

    古斯塔夫·科里奥利，法国科学家。

    1829年，科里奥利发表《机器功效的计算》。专门探讨研究力学、功效学、碰撞理论等科学问题。并将力在一段距离内对物体运动的效果归结为作功。

    他也世界上第一个提出“功”概念的科学家。

 

    迈克尔·法拉第，英国著名的科学家，

    电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献。这一关键性突破奠定电磁学的基础。

    1831年，法拉第发现电磁感应效用。还发明创建出了人类第一台发电机和电动机。

    发电机和电动机的推广运用彻底地改变了人类世界。也极大的推动了科学界对电与磁的广泛深入地研究探索。并相继有了新的发现。

 

    詹姆斯·普雷斯科特·焦耳，英国物理学家，英国皇家学会会员。

    1840年，他根据电流生热现象，提出电流通过导体产生热量的定律。

    1843年，焦耳《论电磁的热效应和热的机械值》的论文发表。

 

    赫尔曼·路德维希·斐迪南德·冯·亥姆霍兹，德国物理学家。

    1847年发表了著作《论力的守恒》。

    1882年发表论文《化学过程的热力学》。

    亥姆霍兹是“能量守恒定律”的创立者。

 

    鲁道夫·尤利乌斯·埃马努尔·克劳修斯，德国物理学家和数学家。

    1850年，克劳修斯发表《论热的动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律》的论文。将能量守恒定律归结为热力学第一定律。并根据他对能量的转换和传递方向的研究结论，提出了热力学第二定律。

    1854年，《力学的热理论的第二定律的另一种形式》的论文发表。

    1865年，克劳修斯提出了“熵”的概念，并宣告“宇宙的能量是恒定的”著名名言。

    克劳修斯一生在力、功、热、能及分子运动上均有伟大的贡献，由其是在热力学方面。克劳修斯是热力学的主要奠基人之一。

 

    1853年研究发现了“势能”的概念。

    1856年出现了“动能”概念。

 

   
         詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，英国物理学家、数学家，经典电动力学的创始人。

    麦克斯韦将他从事研究的力学、光学、电磁理论等方面的研究成果统一起来，建成包括力、光、电、磁在内的电磁场理论。是世界物理科学上最伟大的统一。也是人类科学史上最伟大的创举。

 

    1876年，德国发明家奥托，创制成功以煤气为燃料的第一台往复活塞式四冲程内燃机。仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7转/分，压缩比为2.66，热效率达到14%，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。

 

    1883年，德国的戴姆勒创制成功第一台超过当时其他内燃机转速4倍的立式汽油机，它的特点是轻型和高速。

    1897年，德国工程师狄塞尔，根据他自己研究的“气缸空气高度压缩，超温燃料自燃点火”的理论，首创研制成功压缩点火式内燃机——柴油机。开拓了新的能源品类且热效率大大提高。

 

    托马斯·阿尔瓦·爱迪生,美国著名企业家、世界知名多产发明家。

    1880年，爱迪生比英国斯旺尽管晚了20年，但制造出了能连续亮上1200个小时的高效实用的毛竹丝电灯。此后，爱迪生发明了直流发电机，绝缘电线，分流电路等，对电灯的推广和应用作了巨大贡献。

    电灯的使用不仅照亮了千家万户，也驱使科学家们对电、光、热的深入研究。

 

    尼古拉·特斯拉是塞尔维亚裔美籍电气工程师和高产发明家。他一生获得700多项发明专利。

    1893年，特斯拉在博览会上第一次成功了展示了优于直流电的交流电照明系统；

    1897年，特斯拉在尼亚加拉大瀑布建成首个具备远程输送的交流水电站。

    特斯拉因发明设计实施了现代交流电系统，而成为电力全面普及的重要推动者。是特斯拉让交流电走向了世界。

    1943年，美国高等法院还判定特斯拉是无线的最终发明者。

    交流电和无线电的问世，就象打开了潘多拉魔合，世界飞速地进入到电气时代

 

    普马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克，德国著名物理学家、量子力学的重要创始人之一。

    1900年，普朗克提出“能量子”是能量的最小单位。物体吸收或发射电磁辐射，只能以量子的方式进行。他发现的能量量子化理论对人类科学进入新的时代做出了重要贡献。

 

  
          阿尔伯特·爱因斯坦，美国德裔世界著名物理学家。

    1905年，爱因斯坦提出光量子假设；光照射到金属上，引起物质的内能发生变化而放出电子。这种光变放电的现象称为光电效应。光的能量单位即由光量子组成。

    爱因斯坦成功解释了光电效应。

 

    奥托·哈恩，德国放射化学家。发现原子核裂变现象。

    1938年，哈恩与另一位德国物理学家弗里茨·斯特拉斯曼合作，用中子来轰击铀核时发现；不仅其反应快速强烈、释放能量极高，而且铀核分裂成更多的、更轻的物质成分。后经多次反复验证，终于确认这种现象是铀235的分裂反应。

    作为放射化学家的哈恩当时并没有搞懂为什么会产生这种分裂反应。

 

    莉泽·迈特纳，奥地利-瑞典籍，一位与居里夫人齐名的女原子物理学家。

    1939年，迈特纳接到哈恩询问关于原子分裂反应的来信后，经反复研究、计算将结论发表在题为《中子导致的铀的裂体：一种新的核反应》的学术论文里。论文第一次为原子核裂变提出了理论基础。并为这种原子核裂变反应命名为“核裂变”。

    迈特纳还应用爱因斯坦的相对论中方程：
            E=MC²；

    计算出每个裂变原子核，能够释放2亿电子伏特的巨大能量。

    是这位伟大的女科学家——迈特纳奠定了原子弹和原子能的理论基础。

 

    
        恩利克·费米，美籍意大利著名物理学家

    1942年12月2日，费米主持设计和制造出了第一个由人类进行控制的核链式反应项目运转成功。因为这一项目——核反应堆设在芝加哥大学，被命名为“芝加哥1号堆”。从此，人类开始了原子核能的开发和利用。

 

    莱曼·斯皮策，二十世纪伟大美国天体物理学家。

    1951年，斯皮策创制成功象一颗恒星的仿星器——第一个氢气等离子体聚变生成器。试验点火后，气团耀眼燃烧，温度之高、能量之大犹如一颗明亮的超新星。这是人类在地球上第一次完成的核聚变反应。

    莱曼·斯皮策成为利用核聚变作为一种清洁能源的一代先驱。

 

    第一块太阳能电池

    1954年，美国贝尔实验室的研究团队利用太阳光照在半导体p-n结上，光能将电子激发出来而产生电子聚集在半导体两端产生电流的光电效应原理。试制成功第一块太阳能电池。从此开创出人类太阳能应用的新时代。

 

    狄拉克 ，英国物理学家，            

    1933年，狄拉克因发现新型的原子理论，并创立狄拉克方程——量子力学的基本方程而发展了量子力学。是第一个使用量子电动力学名词的人。

    狄拉克是量子力学的奠基者之一 

 

    费曼，美国物理学家  

    1949年，费曼先后发表了“正电子理论”、“量子电动力学的空时探讨”等电子与光子相互作用的相关论文。还相继配发了相应的费曼图和费曼规则。     

    费曼在量子电动力学和粒子物理学方面均有所建树。

 

    
        杨振宁， 中国籍世界著名物理学家   

    1956年和李政道合作提出弱相互作用中宇称不守恒定律。    

    20世纪50年代和R.L.米尔斯合作提出阿贝尔规范场理论理论，即杨—Mills规范场论。后经推广发展成为新的相互作用的基础规则。

    杨振宁在粒子物理学和统计力学等领域都作出了里程碑式的伟大贡献。

 

    盖尔曼，美国物理学家   1929-           

    1964年，盖尔曼在对粒子的深入研究后提出强子的夸克模型。从此开辟了人类对物质结构认识的新篇章。盖尔曼还对量子色动力学理论作出了极大的贡献。

    盖尔曼，被人们亲切地称为“夸克之父”。

 

    斯蒂芬·威廉·霍金，英国著名物理学家，现代最伟大的物理学家之一。

    1973年，他推断宇宙黑洞也会发出护士不是辐射。且辐射温度和黑洞质量成反比。温度因为辐射而变高；黑洞因为高温而变小。黑洞辐射也称霍金辐射。

    黑洞辐射发现的意义，据说可以在于从理论上将量子场论和广义相对论最终统一在一起。

 

 

人类从探寻自身体力引起物体运动开始，到我们今天探索研究黑洞辐射和宇宙能量是一个漫长的过程。2000多年过去了。全世界的科学家们不分国籍、不分民族、不分男女、不分老幼都在探索科学发现与技术发明的道路上，一代接一代的努力着、奋斗着、前赴后继不畏艰险。

    他们不仅奉献给了我们极为宝贵的科学发现和技术发明地伟大成果；

    他们还用自己真切实际的行动，遗传给我们一种为追求科学和真理而无私无畏、可歌可泣地拼搏精神。

    正是这种前赴后继、努力奋斗的精神：促使人类对客观世界的认识日新月异；也推动着我们的科学技术突飞猛进。

    他们才是人类宝贵的财富；

    他们才是人类真正的脊梁；

    他们才是推动人类不断进步发展，取之不尽用之不竭的巨大能量。

    他们才是我们人类追求真理、探寻发现子孙万代永远学习的榜样。

    为真理而斗争！

    为科学而献身！

    这才是地球人的座右铭！

 

 

    18-3演化之路的杰出贡献者

 

 

    
    从“力”到“能量”的探索之路——世界杰出科学家（摘要）

 

    科学家        生卒时间                  主要贡献

 

一、古代

    墨子           前476年-前390年     力，刑之所以奋也

    亚里士多德  前384年-322年       百科全书式的科学家，第一推动的推动者

    阿基米德     前287-前212 年     给我一个支点，我就能撬起整个地球的力学之父

 

二、近代

    伽利略        1564-1642            发现创立惯性定律自由落体定律

    惠更斯        1629-1695            建立向心力定律，提出动量守恒原理

    牛顿           1643-1727            发现创立力学三定律、万有引力

    富兰克林     1706-1790            在电、热、光等多项科学研究中成果丰硕的伟人

    库伦           1736-1806            库仑定律的发现者

    道尔顿        1766-1844            近代原子理论提出者

    安培           1775-1836            电磁作用 ——电动力学的奠基者

    奥斯特        1777-1851            发现电流的磁效应——证明了电和磁能相互转化

    欧姆           1789-1854            发现了电学上的重要定律——欧姆定律

    法拉第        1791-1867           发现电磁感应现象，发明了发电机

    焦耳           1818-1889           发现焦耳定律，热功当量的测定者

    威廉·汤姆森 1824-1907           发现汤姆生—焦耳效应，绝对温标的确立者

    麦克斯韦     1831-1879           电磁场理论建立

    伦琴           1845-1923           x射线——伦琴射线发现

    约翰·汤姆森1856-1940           电子被发现

    赫兹           1857-1894           发现并证实了电磁波的存在

    普朗克        1858-1947          创立能量子概念， 量子力学的重要创始人之一

    居里夫人     1867-1934          发明放射分离技术发现新元素钋和镭

    卢瑟福        1871-1937          原子结构模型创立

    哈恩           1879-1968          发现用中子轰击铀核，原子核的裂变并放出中子

    爱因斯坦    1879-1955           发现光电效应，相对论创立

    玻尔          1885-1962           原子结构和原子辐射研究取得重大突破

    薛定谔       1887-1961           波动力学的创立者

    哈勃          1889-1953           发现宇宙膨胀并建立哈勃定律，

    德布罗意    1892-1987           物质波理论创立者，

    费米          1901-1954            提出裂变理论并建立第一台可控核反应堆

    海森堡       1901-1976           创立矩阵力学并提出不确定性原理

    狄拉克       1902-1984           创建狄拉克方程

    费曼          1918-1988           在量子电动力学和粒子物理学方面有所建树

    杨振宁       1922-                  提出弱相互作用中宇称不守恒定律、规范论 

    盖尔曼       1929-                  提出强子的夸克模型

    霍金          1942-2018           发现霍金辐射，证明了著名的奇性定理

 

 

    人类、特别是其中成千上万的探路者们，历经几千年艰难而曲折的努力探索，今天，我们终于在他们接力奋斗的基础上掌控了先进的科学和技术。先进的科学技术是人类进步发展最强大的动力。

    科学和技术本来就是同胞兄弟。

    技术是科学的基础；

    科学是技术的发现。

 

 

    

    18-4  能量的统一定义

 

 

    纵观几千年人类从对力的认识到今天能量概念的种种解释，经过了一个漫长地演化历程，依靠着巨人们的肩膀，视觉高度在一步步上升。现在，是我们应该给这个宇宙极为重要的关键概念，确定一个统一的定义地时候了。

    我们在前面介绍了各种关于能量概念的不同解释。也摘要浏览了2000多年来人类从力到能量的认识过程。但是，相关概念的提出或发现都不可能按照确切的时间准确无误地排定顺序。在我们梳理这一探索发现过程时，充分注意到了相关的关键节点；

    人类认识力是从人的体力改变物体运动开始的；

    蒸汽机的发明和使用，使人类加速了对功和热能的研究；

    从自然闪电到能产生电流的伏打电池的发明，人类逐渐认识了电；

    对电的探索研究导致电磁效应的发现；

    电磁波地被证实，引发出了光电效应，相对论同时建立；

    光量子——光子的深入研究，为量子力学的建立奠定了基础；

    对波的广泛探索，发现了声波——声能的存在；

    历经几代人的努力，最终认清了原子的神秘结构；

    人类对粒子的好奇与探索，慢慢地正在弄清夸克们的背景和来历；

    ···

    在这一夸度长达2000多年的认识发现地漫长过程中，能量，作为贯穿始终的核心概念，也是被人类逐步认识的。

    根据上述主要节点，依照“分阶段，按重点”的综合考虑原则。排出了一个突出阶段和重点，逐步演化的大体路径；

 

   
     力——热——电——磁——核——光——能（量）

 

   
         当然，还有与之相关联的功、声能、化学能等也是在这一过程中相继发现的。但我没有将它们看成单独的“里程碑”而列入其中。

    通过以上的讨论，我们看到，在这个漫长的探索认识过程中，对能量认识的由浅入深归纳起来突出了如下的这些要点；

    ——组成宇宙万物的最小组分都是原子；

    ——原子是由质子、中子和电子这三种基本粒子构成的；

    ——质子、中子和电子这三种基本粒子都具有能量；

    ——由基本粒子构成的原子具有能量；

    ——由原子组合而成的万物都具有能量；

    ——万物之中以多种不同的形式存在着能量；

    ——不同形式的能量只能互相转换；

    ——宇宙内无论能量如何转换总能量是守恒的；

    ——能量是宇宙内万物全部运动的原因。

 

    根据以上的要点，考虑到今天的能量概念早就不是——甚至从开始就不是——一个准确反映其本质特征及其属性地概念。因此，通过以上讨论并结合《中华人民共和国国家标准GB/T15237.1-2000》中

    术语工作  词汇

    第1部分：理论与应用

    3.2.1 概念

    “ 通过对特征(3.2.4)的组合而形成的知识单元。” 的相关要求，

    我给出能量概念一个统一而确切的定义。

 

   
     能量的定义；

    总量守恒、多形态、可转换的存在于万物之中，是宇宙万物所有运动的动力。