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能量守恒和轉(zhuǎn)化定律與物理科學(xué)體系
志勰
本文主要在于說明能量守恒定律和傳統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的關(guān)系。能量守恒和轉(zhuǎn)化定律不能成立已經(jīng)確定無疑，本文推薦1個證明能量守恒定律不能成立的試驗(yàn)——違反能量守恒的1個試驗(yàn)——磁場的電化學(xué)反應(yīng)。(該實(shí)驗(yàn)不能成立）
關(guān)于能量的話題，是大家最喜歡談?wù)摰脑掝}之1。從20世紀(jì)中期提出的能源危機(jī)以及20世紀(jì)中后期提出的有效利用能源和環(huán)保的思想觀念，都和能源的有效利用有著非常密切的聯(lián)系。本文不談?wù)撃茉丛趯?shí)際應(yīng)用過程中有效和最佳的問題，而僅根據(jù)1些新的能量現(xiàn)象，在能量的基本概念上所反映出來的1些觀念看法和傳統(tǒng)能量定義體系間的問題。
能量守恒和轉(zhuǎn)化定律被看作是19世紀(jì)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之1，并且對于人類科學(xué)向物質(zhì)世界進(jìn)軍的過程中，做出了非常重要的貢獻(xiàn)。這是大家有目共睹的。它最大的應(yīng)用價(jià)值在于對未知的物質(zhì)運(yùn)動變化建立1種等量的關(guān)系。在近代科學(xué)的發(fā)展上，能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的大量應(yīng)用似乎被認(rèn)為是正確的。從光的能量子理論到原子核領(lǐng)域中的中微子的發(fā)現(xiàn)，似乎都包含著能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的成功應(yīng)用。但是對于這些能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的應(yīng)用，我并不認(rèn)為是成功的。
現(xiàn)今的科學(xué)已經(jīng)不是1個世紀(jì)以前的科學(xué)，它不論從科學(xué)理論的本身還是從科學(xué)應(yīng)用的本身來說，都已經(jīng)進(jìn)入到物質(zhì)世界微觀個體的本身。如果說能量守恒和轉(zhuǎn)化定律促進(jìn)了19世紀(jì)到20世紀(jì)中期的科學(xué)發(fā)展，那么，能量守恒定律在現(xiàn)今來說，卻在阻礙著科學(xué)的發(fā)展。
能量不守恒的現(xiàn)象
能量不守恒的現(xiàn)象很多，除了彈性碰撞和摩擦生熱之外，還有1些現(xiàn)象，這些您都可以在機(jī)械運(yùn)動（本站）中找到。今天在這里給大家介紹1個已經(jīng)獲得實(shí)驗(yàn)證實(shí)的能量不守恒現(xiàn)象——磁場中的電化學(xué)效應(yīng)。這個試驗(yàn)是由重慶的劉武青先生完成的，并已經(jīng)獲得多項(xiàng)專利。關(guān)于這個試驗(yàn)詳細(xì)的情況，請您到http://go8.163.com/~cqfyl/去察看劉先生對此方面所做出的工作。關(guān)于這個試驗(yàn)的細(xì)節(jié)問題，物理科學(xué)觀念與評論中違反能量守恒的1個試驗(yàn)——磁場的電化學(xué)反應(yīng)，是劉先生撰寫的介紹。
“將鐵片分別放在塑料容器中的硫酸亞鐵溶液兩端中，但要留1部分在溶液之上，以便用電流表測量電流。然后，在塑料容器的外面，將磁體放在某1片鐵片的附近，讓此鐵片處在磁埸中。用電流表測量兩片鐵片之間的電流，可以看到有電流的產(chǎn)生�！�
“我是這樣看這個問題的：由于某1片鐵片處在磁埸中，此鐵片也就成為磁體，因此，在此鐵片的表面吸引了大量的帶正電荷的鐵離子，而在另1片鐵片的表面的帶正電荷的鐵離子的數(shù)量少于處在磁埸中的鐵片的帶正電荷的鐵離子數(shù)量，這兩片鐵片之間有電位差的存在，當(dāng)用導(dǎo)線接通時，電流由鐵離子多的這1端流向鐵離子少的那1端，這樣就有電流產(chǎn)生�？梢杂没瘜W(xué)上氧化－還原反應(yīng)定律來看這個問題。處在磁埸這1端的鐵片的表面由于有大量帶正電荷的鐵離子聚集在表面， 而沒有處在磁埸的那1端的鐵片的表面的帶正電荷的鐵離子數(shù)量沒有處在磁埸中的1端多，當(dāng)接通電路后，處在磁埸這1端的鐵片表面上的鐵離子得到電子（還原）變?yōu)殍F原子沉淀在鐵片表面，而沒有處在磁埸那1端的鐵片失去電子（氧化）變?yōu)殍F離子進(jìn)入硫酸鐵溶液中”
選自《違反能量守恒的1個試驗(yàn)——磁場的電化學(xué)反應(yīng)》
雖然磁場的電化學(xué)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流是很微小的，但是我們卻可以采用永久磁鐵和硫酸亞鐵溶液永久的產(chǎn)生這種電流。這個試驗(yàn)已經(jīng)足以證明能量守恒和轉(zhuǎn)化定律不能成立。
能量守恒和轉(zhuǎn)化定律和傳統(tǒng)科學(xué)有著非常重要的關(guān)系，那么下面我們就來看看能量守恒和轉(zhuǎn)化定律和傳統(tǒng)科學(xué)的關(guān)系，以及證明能量守恒定律不能成立的意義。
能量守恒和轉(zhuǎn)化定律和傳統(tǒng)科學(xué)的關(guān)系
1、能量守恒定律和力學(xué)的關(guān)系——能量與運(yùn)動總量
（1）經(jīng)典的描述依據(jù)
從定量的意義上來說，描述物體的運(yùn)動變化得自于力學(xué)。使物體進(jìn)行運(yùn)動變化我們通常都?xì)w到物體作用的本身，或者精確的說，叫做作用力。這是描述物體運(yùn)動變化最基本的原因。
此外，還存在1種量，這種量是建立在大量的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的結(jié)論上，就是運(yùn)動總量的問題。
我們知道，力學(xué)是1門古老的學(xué)科，這門學(xué)科是建立在大量經(jīng)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上的1種理論。運(yùn)動總量在幾百年前我們最經(jīng)常接觸的是兩種現(xiàn)象，1種是勢能，另1種則叫做動能。
勢能通常是使物體運(yùn)動的能量，動能則是物體運(yùn)動的本身�；蛘呶覀冊谠u定運(yùn)動的總量可以不考慮在內(nèi)，因?yàn)樗旧砭褪?種運(yùn)動的總量，表現(xiàn)這個運(yùn)動的物體具有確定的運(yùn)動速度。只是我們采用什么樣的數(shù)值模式來進(jìn)行描述。
勢能則不同了，它是1種靜止的量，但無疑采用靜止的勢能和它轉(zhuǎn)化出的動能，其總量必然是相同的數(shù)值形式。這是力學(xué)定義體系對于能量的1種最古老的看法。同時，也是因?yàn)檫@樣的定義，力學(xué)才可以叫做1種力學(xué)體系，因?yàn)檫@樣的1種定義包含了對所有物質(zhì)運(yùn)動變化描述的可能性，它包含了從描述物體為個體向以質(zhì)點(diǎn)為目標(biāo)的擴(kuò)展。
在大自然中，經(jīng)常見到的勢能則是重力勢能和彈性勢能。這些問題在19世紀(jì)以前早已經(jīng)解決，都可以采用力與作用距離乘積的形式來描述。即：
mgh=(1/2)mV2
（1/2）kx2=(1/2)mV2
其中，m為質(zhì)量、g為重力加速度、h為物體距地面的高度、k為剛性系數(shù)。需要說明的是在彈性勢能的描述中，作用力不是均勻的。
那么，依據(jù)能量守恒的觀念，很自然的，(1/2)mV2則成為動能的描述模式和單位。
（2）經(jīng)典的描述中出現(xiàn)的問題
在上述對兩種能量的模式進(jìn)行描述的過程中，從表面上來看，能量都可以采用作用力和作用距離的乘積作為能量的定量模式。但倘若我們細(xì)究起來，則發(fā)現(xiàn)采用這樣的定量模式是不合理的。我們先來看1下能量轉(zhuǎn)化的條件：
在重力勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程中，物體受到它本身在引力場中的重力之外，在我們處理的過程中，并沒有在出現(xiàn)其它的作用力。物體下落1段高度h，物體從下落高度過程中從最初的狀態(tài)到最終的狀態(tài)完全是物體本身受到引力作用的運(yùn)動過程。只要是物體下落的高度確定，物體得初狀態(tài)確定，那么物體的終狀態(tài)則必然是確定的。與此同時，物體下落的時間也是必然確定。那么在我們采用定量的模式來對物體的運(yùn)動狀態(tài)變化量來進(jìn)行定量，從使物體運(yùn)動狀態(tài)變化的原因上至少有兩種描述模式。
1種描述模式是物體在作用力的作用下通過的距離。另1種描述模式則是物體在作用力的作用下經(jīng)過的時間。對于給定條件之后，兩種描述模式對于物體的定量來說是等效的。那么從方法論上來說，定量能量在引力勢能引起的物體的運(yùn)動變化過程中，則可能存在兩種定量模式。當(dāng)然，在傳統(tǒng)的科學(xué)中則選擇的是作用力和作用距離的乘積的模式。
動能和勢能間的轉(zhuǎn)化雖然采用作用力和作用距離的乘積來進(jìn)行描述雖然可以認(rèn)為是合理的，但是在物質(zhì)世界中的物質(zhì)的運(yùn)動變化并不僅僅限于勢能和動能間的轉(zhuǎn)化的運(yùn)動模式，還存在摩擦運(yùn)動、彈性碰撞等等運(yùn)動模式。在彈性碰撞種，由于物體的運(yùn)動狀態(tài)間的變化都得自于彈性勢能和動能間的轉(zhuǎn)化，這1點(diǎn)應(yīng)該也是沒有問題的。(注：我最初認(rèn)為彈性碰撞過程中能量能量的定量也會存在問題，或者說能量不守恒，這1點(diǎn)已經(jīng)有g94426先生采用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行證明過了，可參見本站觀點(diǎn)糾正中關(guān)于彈性碰撞的內(nèi)容）那么摩擦運(yùn)動則不同了。
摩擦過程中，物體的動能會轉(zhuǎn)化為熱能。我們這里僅采用1個簡單的例子，如果您想詳究這個問題，可以參見——機(jī)械運(yùn)動——機(jī)械運(yùn)動的能量體系）那里有較為詳細(xì)的說明。
1個物體在地面上進(jìn)行摩擦運(yùn)動，如果地面和物體的材料屬性是均勻的，那么摩擦力f則為1個常數(shù)(我們這里假設(shè)為低速運(yùn)動，高速運(yùn)動則不為常數(shù)）。為了更方便的來確定我們采用的定義體系和物體的運(yùn)動變化間的關(guān)系，我們這里采用勻速運(yùn)動。我們來考察1下能量的定量和物體運(yùn)動過程中的幾種物理量的關(guān)系。
推動1個物體運(yùn)動，首先我們要選用1個動力裝置。并且單位時間里輸出的作用力相同的1個機(jī)器。或者換句話說，功率相同。（關(guān)于機(jī)器的選定問題，由于存在1個相對參照系的問題，這樣1個輸出標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器采用機(jī)械轉(zhuǎn)動的裝置實(shí)際上是沒有的，但并不等于沒有這種輸出能量的機(jī)器，我們可以采用萬有引力、火箭發(fā)動機(jī)、電磁驅(qū)動等等，于物體所受到的作用力與慣性參照系無關(guān)的作用模式）
如果我們采用推動物體運(yùn)動在地面上運(yùn)動1段距離來判定能量的量值，那么我們只要采用不同的運(yùn)動速度，在相同的距離里，力所做的功則是不同的。由于摩擦系數(shù)在兩種不同的運(yùn)動速度里是相同的，只要運(yùn)動的距離是相同的，那么摩擦所產(chǎn)生的熱量則是相同的。1個物體進(jìn)行摩擦運(yùn)動，如果物體的質(zhì)量的改變我們可以忽略不計(jì)（磨損），那么摩擦產(chǎn)生的能量完全轉(zhuǎn)化為熱能。
在計(jì)量過程中，如果能量是守恒的，那么不論我們采用作用力和作用距離的乘積還是采用作用力和作用時間的乘積，那么我們都無法采用1個確定的量對我們所推動物體的能量所進(jìn)行的轉(zhuǎn)化進(jìn)行描述。因?yàn)槲覀兯冻龅?個確定的能量，然而確轉(zhuǎn)化出不同的能量。
實(shí)際上，不論我們?nèi)绾蔚脤@個問題進(jìn)行調(diào)整，都不可能在能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的基礎(chǔ)上得到滿意的定義模式。這1點(diǎn)暴露出我們采用的能量定義體系和能量的概念本身存在著問題，并且這個矛盾是不能調(diào)和的。
在現(xiàn)在的科學(xué)中采用1種折中的方式對這個問題進(jìn)行調(diào)諧。采用兩種能量定義體系對這個問題進(jìn)行調(diào)諧：1種定義模式是（1/2）mv2是動能的模式,另1種能量定義模式則是ft功率的模式。前者表示能量的總量，在人類的實(shí)際應(yīng)用上通常叫做功，后者則表示單位時間里輸出能量的量值，通常將這種能量模式叫做功率。兩者在能量的屬性上是沒有區(qū)別的。
我并不認(rèn)為采用兩種能量的量綱對能量進(jìn)行描述是合理的。
2、能量守恒定律和熱學(xué)的關(guān)系
1827年自英國植物學(xué)家布朗先生發(fā)現(xiàn)布朗運(yùn)動之后，人類探索的物質(zhì)世界的范圍逐漸的從宏觀到微觀轉(zhuǎn)移。到109世紀(jì)中葉開始建立了宏觀和微觀聯(lián)系的分子運(yùn)動論。摩爾概念的建立，從定量的意義上建立了物質(zhì)概念在宏觀和微觀上的關(guān)系。這些都給與19世紀(jì)熱力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
然而，從人類研究宏觀物質(zhì)世界的方法和微觀物質(zhì)世界的方法是絕對的不同，不能將研究宏觀物體運(yùn)動變化的規(guī)律應(yīng)用到微觀物質(zhì)世界中去。我們不能象宏觀世界中研究物體的運(yùn)動變化1樣，采用試驗(yàn)的方法來確定微觀物質(zhì)世界的運(yùn)動變化。因?yàn)檫@是所面對的大量的不能進(jìn)行觀測的微觀物質(zhì)分子的無規(guī)則運(yùn)動。在這種情況下，微觀統(tǒng)計(jì)學(xué)就誕生了。當(dāng)然，這是后話。
如果我們要以微觀物質(zhì)作為描述對象，那么我們首先要建立物理量間的等量關(guān)系。選定什么樣的量作為對微觀物質(zhì)運(yùn)動變化的量則成為1種重要的問題。由于在19世紀(jì)以前，人們對物體運(yùn)動變化的描述采用的是質(zhì)量、作用力、長度、時間等作為對物體運(yùn)動變化進(jìn)行描述的量。那么對于微觀物質(zhì)世界，這些量也仍然搬到了對微觀物質(zhì)運(yùn)動變化的描述上，由于微觀物質(zhì)世界所面對的是大量的微觀粒子，那么作用力、長度和時間則不再重要，而采用這些量的1種綜合的量——速度、動量、沖量、動能對這些概念進(jìn)行替換。當(dāng)然，這些概念仍然也是對宏觀物體進(jìn)行描述的量，只是采用統(tǒng)計(jì)的方法，它們和宏觀物體的量相對應(yīng)，其重要性進(jìn)1步的加強(qiáng)了。這得自于統(tǒng)計(jì)方法的誕生。
在宏觀的物質(zhì)運(yùn)動變化的描述和微觀物質(zhì)運(yùn)動變化的描述中，建立1種等量關(guān)系對于宏觀描述和微觀描述來說是非常重要的，那么能量守恒和轉(zhuǎn)化定律則誕生了。它的誕生直接推動了熱力學(xué)的發(fā)展，間接的推動了19世紀(jì)的工業(yè)革命。反映在直接的應(yīng)用上，則是守恒觀念對熱機(jī)的直接應(yīng)用上。
卡諾先生在1842年就發(fā)表了研究熱機(jī)效率的《關(guān)于火的動力的思考》，當(dāng)然，最初始，支配他對這個領(lǐng)域探討的并不是能量守恒和轉(zhuǎn)化定律，而是熱質(zhì)的守恒，卡諾的日記表明，大概在1930年左右拋棄了熱質(zhì)說。不論采用熱質(zhì)守恒的觀念還是能量守恒的觀念，它們對于解決物理問題的思路的意義是相同的，就是建立1種研究目標(biāo)的途徑。在卡諾先生關(guān)于熱機(jī)效率的維象理論里，兩種守恒的觀念對于熱機(jī)量間的轉(zhuǎn)化關(guān)系是等效的。這1點(diǎn)是需要說明的。
正是由于采用維象學(xué)說對熱現(xiàn)象成功的解釋，因此在現(xiàn)在的熱學(xué)里仍然存在兩種對氣體狀態(tài)進(jìn)行描述的理論，1種是以熱力學(xué)3個定律為基礎(chǔ)所建立的熱力學(xué)唯象理論。另1種則是對微觀物質(zhì)個體采用統(tǒng)計(jì)的方法所建立的統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。但是兩種理論都有1種相同點(diǎn)，就是引用了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律作為宏觀和微觀物理量間的等量關(guān)系。
從種種的跡象來看，能量守恒和轉(zhuǎn)化定律是1個錯誤的定律。能量的觀念和能量守恒和轉(zhuǎn)化定律在力學(xué)的體系中就已經(jīng)存在問題，那么采用能量的量綱的概念延伸到微觀物質(zhì)的描述中，無疑是存在問題的。我認(rèn)為主要有兩種物理量間的錯誤：1種是氣體分子所產(chǎn)生的壓強(qiáng)和氣體分子運(yùn)動速度的關(guān)系。另1種則是溫度和微觀物質(zhì)分子運(yùn)動速度的關(guān)系。關(guān)于這些看法，在機(jī)械運(yùn)動的能量體系中已經(jīng)有了較為詳細(xì)的說明。請參見。
3、能量守恒定律和物理哲學(xué)的關(guān)系
能量守恒和轉(zhuǎn)化定律在誕生后，1個直接的作用
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