“能量形式”概念是錯誤的嗎?

張三慧

(清華大學物理系,北京 100084)

“能量形式”概念是錯誤的嗎?

張三慧

(清華大學物理系,北京 100084)

偶翻《物理與工程》雜志 2010年第 6期,發現一篇文章,題目為“試論一種新的能量觀”以下統稱《新》文.該文作者們建議使用“能量載體”的概念來代替“能量形式”.立論新穎.但我多處看不明白.不揣冒昧,寫一篇讀后感如下,敬請指正.

能量具有不同的形式,現今在物理學界,包括大師、教師、學生,已成公認的定論.例如,趙凱華、羅蔚茵的物理學教材《力學》(二)2.2段就寫著“能量是物理學一個極為普遍、極為重要的物理量,它具有機械能、熱能、電磁能、核能等多種形式.雖然我們不能給能量下一個普遍的定義,但這絕不意味著它是一個可以隨意延拓的含糊概念”.在《新》文所列的參考文獻 [2]那本著名教材的后續改版《Fundamentals of Physics》6th ed(2001)的7-1節就寫有“energy is a scalar quantity that is associated with a state(or condition)of one or more objects.And it comes in a great many formes(or types).In fact,the term energy is so broad that a clear definition for it is difficult to write and this definition is too vague to be of help to us”.

關于能量和能量形式的說法或概念和理論,從 1686年萊布尼茲提出“活力”即今“動能”的概念以來,普遍的能量和能量形式的概念已經建立、發展、興盛“統治”了物理學三百余年,“對改進物理教學和推動物理學自身的發展”曾起過并正在起著非常重要的積極作用,在現今的物理教材中它們都有正確的明明白白的闡釋.但今天的“新能量觀”者們在《新》文中說:“在仔細地分析了一下之后,不難地發現了,用能量形式 (energy for m)的概念來思考和討論問題并不恰當.有時會起到某種誤導作用,容易使人們誤認為存在著不同類型的能量”.所以這一概念是錯誤的.這就是說,他們要將他們這些“人們”對于“能量形式”這一概念的誤認,即存在著不同類型的能量,強加到這一概念本身而說它是錯誤的并因此要把它逐出物理學,而使用“能量載體”這一“科學含義精確、表述通俗易懂”的概念來代替這一概念.這是什么邏輯?合乎科學道理嗎?

下面讓我們來看“有利于反映能量的本質的概念‘能量載體’”是什么意思.作者們的回答是“隨能量一起流動的物質型物理量”.那么,什么又是“物質型物理量”呢?《新》文第二節說是為了反映物理廣延量如質量、動量、物質的量、電荷量和熵等的共同特點而采用的一種物質模型(substance model),即把這些量想象成一種“物質”并起名為物質型物理量 (subrtance-quantity).還明確指出,這里所說的物質嚴格意義上應該是指連續介質,即一種不考慮物質分子之間實際存在的空隙而連續分布在空間的假想物質.看了這一段,大家一定會達成以下共識:即所謂“物質型物理量”是把廣延量想象成一種假想物質而給它起的名字.這也就是說,《新》文所定義的“能量載體”“概念”并不代表任何自然界客觀實質!這一定義使我即時想起了曾在先能量時代 18世紀流行而后來被正確地用“能量”概念取代了的“熱質”“概念”.上述定義的“能量載體”和“熱質”“概念”何其相似啊!不過,上列質量、電荷和熵等詞都已經有確切的物理含義,再把它們拉來作為假想物質重新命名怕未必合適.

接著,《新》文討論了物理量的守恒問題,討論強度量的守恒問題當然是不正確的.對于物質型物理量,文中說,“有些 (如電荷量)始終是守恒的.然而,另一些物質型物理量,其守恒是有條件的.比如物質的量 (amount of substance),只有在不發生化學反應的條件下才是守恒的.(但是,又該如何理解化學教材中寫的質量守恒定律呢?)由此可見,物質型物理量和守恒的物理量并不完全相同,前者的綜合性更強或覆蓋面更廣一些”.本節的最后一句話是:能量既是一個物質型的量 (本節題名),又是一個守恒的量.這是作者們想要給能量下的 clear definition嗎?

下面一節的題目是“關于能量形式的定義和分類”.我想應該是講明白如何用“能量載體”概念來代替能量形式的概念了.在指出“即使在一些著名的物理教科書里”能量形式這個概念本身的物理含義就“相當模糊,接近于日常生活用語”之后,討論起“將能量區分為各種能量流的方法”來了.在未給出任何實驗證據的情況下,說“經驗 (作為介紹新觀念的文章,應該先告訴大家這些經驗是什么,來自什么試驗或活動)告訴我們,能量從不單獨流動,它總是與至少一個其他物質型物理量相隨著一起流動”.“這其實是一條自然規律(?).并且以大師 Gibbs冠名寫出了一個數學公式.為解釋這個公式,舉的例子有:能量流與電荷流同時流經導線而進入電爐;能量與物質的量(“燃油和氧氣”,(這兩樣化學物質也是“物質型物理量”嗎?)一起流入汽車發動機;能量與熵相伴同時流過房屋的墻壁,等等.在這種情況下,人們(是指作者們吧)通常根據與能量一起流動的 (這里是否有意去掉了“物質型”三字?)物理量來談論能量采取這樣或那樣的“形式”進行傳輸或轉換.在上面的例子中,人們 (還是指作者們吧?)分別把這些不同形式的能量稱作為電能、化學能和熱.這就是《新》文建議的新的能量分類方法和能量觀:根據與能量一起流動的其他物理量來命名能量的“形式”.繞了這么大彎子,引入了個被定義為“物質型物理量”的假想連續介質,并根據“經驗”拉大師 Gibbs寫了“一條自然定律”的公式,才得出了這樣一個方法和觀點.我看了幾遍并反復思考體會,最后發現這一命名法實質上不過是本文開頭介紹的現在大家正用的以載體命名的方法的“盜版”,除了能量載體的意義不同和只用于能量的“流動”情況以外 (上面能量、能量流這兩個意義不同的術語隨便換用,物理量和物質型物理量這兩個意義不同的術語也隨便換用,使我很難準確地理解文章的含義)并沒有新意,更沒有“代替”.此外,對上引《新》文的用詞,還要說幾句話.對導線中電能的傳輸,現代的觀點并不是電荷攜帶著能量一起流動的,而是由驅動電荷流動的電磁場傳輸的.電荷并不是這里的“能量載體”!再者,熵這個“狀態量”怎么成了物質型物理量那樣的“假想連續介質”了?還有,功和熱 (量)概念并不是“狀態量 ”能量而是“過程量”,這在任何一本物理教科書中講熱力學第一定律時都寫明了的!不能混為一談.

下面一段說,一般說來,只要一個系統的能量函數可以展開為一些分立的單項之和,我們就能夠為每一項起一個名稱,從而得到不同的能量“存在形式”.這幾句話似乎在支持“舊能量觀“.例如,一個自由落體系統 (包括地球M和落體 m),其能量就可寫成 m v2/2+m gh,前者為動能,后者為勢能,明明白白.但《新》文緊接著說,“可惜,許多物理系統不允許做這樣的能量分解.事實上,任何能量轉換裝置 (剛才講的是“物理系統”)的能量函數一般都是不可分解的.各種熱力發動機將熱量 TdS轉換為功 -pdV,他們的能量函數中的自變量 (剛才講的是“能量函數”)S和 V都不能夠做這種分解.”這幾句話似乎是否定“舊能量觀“的.但上面已說過,把熱量和功戴上“能量”的帽子,是一項概念錯誤呀!文章怎么這樣難懂呢?

再來看下面說些什么.在肯定了上述分類法“更加簡便”之后,又說,“我們并不贊成把由此而區分開來的各種能量流 (而不是能量!)稱為不同的‘能量形式’”(這不是否定了前面自己提出的分類法了嗎?!).為了說明“能量具有不同形式”這一說法究竟錯在哪里,《新》文以電荷為例提出不能根據載體將電荷冠以不同的名稱如電子電荷、質子電荷、氯離子電荷等.這樣容易使人誤認為這些不同的名稱表示著不同的物理量.而事實上它們都僅僅涉及一個相同的物理量——電荷.所不同的只是電荷的載體而非電荷本身.(不過也不能太絕對了,因為質子電荷和電子電荷終究還是正負不相同的兩種電荷!可參看 Purcell,Berkeley Physics,Electricity and M agnetism,2nded(1985),Sec.1.1,p 3.)因此這樣的名稱就是錯誤的,不應該用.(現在的物理文獻中像電子電荷、質子電荷、氯離子電荷這樣的以載體為冠的名詞的確是很罕見的,好像大家已認識到上述錯誤了.但是像電子的電荷、質子的電荷、氯離子的電荷等這樣的指名載體的類似組合詞卻比比皆是!又好像大家并不認同上述指責.)這些關于電荷的討論,當然是為了通過類比來說明能量形式這種概念是錯誤的.根據按類比就應是能量形式的說法可能引起認為能量有不同類型的誤解.用這種誤解誣稱能量形式概念是錯的觀點本文第三段中已談過了.

在第 4節能量載體和能量轉載體中,“新”能量觀似乎解說得更明白了些.作者們說,如果不再使用術語“能量形式”,那么應該選用什么樣的術語來替代它比較好呢?作者們回答說:回顧一下前面關于電荷的討論,就立即呈現在我們面前,那就是使用“能量載體 (energy carrier)來取而代之.我們可以說,隨同能量一起流動的那個物質型物理量“運載著能量流動,它是一種“能量載體”.“為了論證“能量載體”的“概念”的合理性,作者們又一次提出了那個普適命題:“當某種東西只是更換其載體而它自身并沒有發生變化時,談論這種東西的形式顯然是不合理的.”并以煤的遠程運輸為例佐證此命題的正確.可是,為什么不能根據例如,井、河道、形成湖、海的地形構造等把這些不同“載體”所載的“自身并沒有變化的”水以井水、河水、湖水、海水這樣的稱呼來區別它們并說是“形式”不同呢?這也“顯然”不合理、并容易使你們發生對水的認識的“誤導”而應該被廢棄嗎?普通老百姓能贊同這種觀點嗎?生活用語也自有真理在!

“新”文在定義了“能量轉載體”(就是我們常說的換能器)之后.說道,“在日常生活和技術環境中,到處都充滿著能量轉載體的例子.比如,在電燈泡里,能量從 (這里作者們省略了冠詞“能量”二字,下面幾例同此 )載體“電荷”轉載到載體“光”上;在電動機里,能量從載體“電荷”轉載到載體“角動量”上;在發電站里,能量從載體“物質的量”轉載到載體“電荷”上;在熱機里,能量從載體“熵”轉載到載體“角動量”上”.這些能量轉換的事實,用“舊能量觀”表述,是:在電燈泡里電能轉化為光能;在電動機里,電能轉化為動能;在發電站里,熱能轉化為電能;兩相比較,哪種描述更簡潔明確,清晰易懂?至于哪種描述的科學含義更精確?我的意見是:我們所討論的問題,用傳統的或舊能量觀的語言,根本上是自 1686年以來,科學家們包括萊布尼茲、倫福特伯爵、焦耳、愛因斯坦等,發現自然界普遍存在著一種以物理量“能量”定名的客觀實在.能量 (energy)雖然至今還沒有清晰的定義(clear definition)但科學家們發現,能量總是和實際的物體或物質同時同地出現,而且和特定物體或物質相聯系的能量的大小或多少可以用標志該物體或物質 (不管運動與否)的狀態特征的物理量構成的公式計算出來.例如 m v2/2,m gh,niRT/2,ε0E2/2,...等計算出來.物體或物質和能量的這種聯系使得前者可稱為后者的載體.(請注意這里的載體和《新》文中的“能量載體”概念完全不同!)于是引入了“能量形式”的概念來表明能量可以有不同的載體,并啟用了具體的名稱如動能、重力勢能、熱能、電 (場)能、磁(場)能、光能、核能等名稱.要注意的是,各種物理教材中一再強調根據眾多實驗,包括論福特的鏜炮筒活計,各式焦耳實驗,證明,各種形式的能量是可以按十分確定的當量,如熱功當量,相互轉換的.因此它們就是同一種客觀實在!這是不允許讀者們有任何誤解的.由此可知,大家都理解的經典能量觀是面對客觀實在,言之有客觀事物,實驗證據確鑿,說明簡潔,清晰易懂.對論述“能量載體”的《新》文,我認為只討論概念,言不及實際客觀 (只言“想象”和“假想”),沒有實驗根據,多用舉例類比論證,用詞含糊,邏輯混亂,行文艱澀難懂.只需根據“Experi-ment is the sole judge of scientific‘truth’(見 Fynman Lctures on Physics,Vol 1,p1-1)”,即“實踐是檢驗真理的唯一標準”這一認識論的基本原則,就可以說“能量載體”這一概念是不科學的、錯誤的,不應該也不可能用它來代替“能量形式”這一科學概念!也就說不上什么“改進”、“推動”和“發展”.建議作者們再讀一下物理教材,特別是 Feynman,Lctures on Physics,Vol 14-1 Whate is energy?那一段 (有中文譯文,見趙凱華、羅蔚茵,《力學》(二)2.2段).謝謝!

2011-01-19)