“能量形式”概念是错误的吗?

张三慧

(清华大学物理系,北京 100084)

“能量形式”概念是错误的吗?

张三慧

(清华大学物理系,北京 100084)

偶翻《物理与工程》杂志 2010年第 6期,发现一篇文章,题目为“试论一种新的能量观”以下统称《新》文.该文作者们建议使用“能量载体”的概念来代替“能量形式”.立论新颖.但我多处看不明白.不揣冒昧,写一篇读后感如下,敬请指正.

能量具有不同的形式,现今在物理学界,包括大师、教师、学生,已成公认的定论.例如,赵凯华、罗蔚茵的物理学教材《力学》(二)2.2段就写着“能量是物理学一个极为普遍、极为重要的物理量,它具有机械能、热能、电磁能、核能等多种形式.虽然我们不能给能量下一个普遍的定义,但这绝不意味着它是一个可以随意延拓的含糊概念”.在《新》文所列的参考文献 [2]那本著名教材的后续改版《Fundamentals of Physics》6th ed(2001)的7-1节就写有“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”.

关于能量和能量形式的说法或概念和理论,从 1686年莱布尼兹提出“活力”即今“动能”的概念以来,普遍的能量和能量形式的概念已经建立、发展、兴盛“统治”了物理学三百余年,“对改进物理教学和推动物理学自身的发展”曾起过并正在起着非常重要的积极作用,在现今的物理教材中它们都有正确的明明白白的阐释.但今天的“新能量观”者们在《新》文中说:“在仔细地分析了一下之后,不难地发现了,用能量形式 (energy for m)的概念来思考和讨论问题并不恰当.有时会起到某种误导作用,容易使人们误认为存在着不同类型的能量”.所以这一概念是错误的.这就是说,他们要将他们这些“人们”对于“能量形式”这一概念的误认,即存在着不同类型的能量,强加到这一概念本身而说它是错误的并因此要把它逐出物理学,而使用“能量载体”这一“科学含义精确、表述通俗易懂”的概念来代替这一概念.这是什么逻辑?合乎科学道理吗?

下面让我们来看“有利于反映能量的本质的概念‘能量载体’”是什么意思.作者们的回答是“随能量一起流动的物质型物理量”.那么,什么又是“物质型物理量”呢?《新》文第二节说是为了反映物理广延量如质量、动量、物质的量、电荷量和熵等的共同特点而采用的一种物质模型(substance model),即把这些量想象成一种“物质”并起名为物质型物理量 (subrtance-quantity).还明确指出,这里所说的物质严格意义上应该是指连续介质,即一种不考虑物质分子之间实际存在的空隙而连续分布在空间的假想物质.看了这一段,大家一定会达成以下共识:即所谓“物质型物理量”是把广延量想象成一种假想物质而给它起的名字.这也就是说,《新》文所定义的“能量载体”“概念”并不代表任何自然界客观实质!这一定义使我即时想起了曾在先能量时代 18世纪流行而后来被正确地用“能量”概念取代了的“热质”“概念”.上述定义的“能量载体”和“热质”“概念”何其相似啊!不过,上列质量、电荷和熵等词都已经有确切的物理含义,再把它们拉来作为假想物质重新命名怕未必合适.

接着,《新》文讨论了物理量的守恒问题,讨论强度量的守恒问题当然是不正确的.对于物质型物理量,文中说,“有些 (如电荷量)始终是守恒的.然而,另一些物质型物理量,其守恒是有条件的.比如物质的量 (amount of substance),只有在不发生化学反应的条件下才是守恒的.(但是,又该如何理解化学教材中写的质量守恒定律呢?)由此可见,物质型物理量和守恒的物理量并不完全相同,前者的综合性更强或覆盖面更广一些”.本节的最后一句话是:能量既是一个物质型的量 (本节题名),又是一个守恒的量.这是作者们想要给能量下的 clear definition吗?

下面一节的题目是“关于能量形式的定义和分类”.我想应该是讲明白如何用“能量载体”概念来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书里”能量形式这个概念本身的物理含义就“相当模糊,接近于日常生活用语”之后,讨论起“将能量区分为各种能量流的方法”来了.在未给出任何实验证据的情况下,说“经验 (作为介绍新观念的文章,应该先告诉大家这些经验是什么,来自什么试验或活动)告诉我们,能量从不单独流动,它总是与至少一个其他物质型物理量相随着一起流动”.“这其实是一条自然规律(?).并且以大师 Gibbs冠名写出了一个数学公式.为解释这个公式,举的例子有:能量流与电荷流同时流经导线而进入电炉;能量与物质的量(“燃油和氧气”,(这两样化学物质也是“物质型物理量”吗?)一起流入汽车发动机;能量与熵相伴同时流过房屋的墙壁,等等.在这种情况下,人们(是指作者们吧)通常根据与能量一起流动的 (这里是否有意去掉了“物质型”三字?)物理量来谈论能量采取这样或那样的“形式”进行传输或转换.在上面的例子中,人们 (还是指作者们吧?)分别把这些不同形式的能量称作为电能、化学能和热.这就是《新》文建议的新的能量分类方法和能量观:根据与能量一起流动的其他物理量来命名能量的“形式”.绕了这么大弯子,引入了个被定义为“物质型物理量”的假想连续介质,并根据“经验”拉大师 Gibbs写了“一条自然定律”的公式,才得出了这样一个方法和观点.我看了几遍并反复思考体会,最后发现这一命名法实质上不过是本文开头介绍的现在大家正用的以载体命名的方法的“盗版”,除了能量载体的意义不同和只用于能量的“流动”情况以外 (上面能量、能量流这两个意义不同的术语随便换用,物理量和物质型物理量这两个意义不同的术语也随便换用,使我很难准确地理解文章的含义)并没有新意,更没有“代替”.此外,对上引《新》文的用词,还要说几句话.对导线中电能的传输,现代的观点并不是电荷携带着能量一起流动的,而是由驱动电荷流动的电磁场传输的.电荷并不是这里的“能量载体”!再者,熵这个“状态量”怎么成了物质型物理量那样的“假想连续介质”了?还有,功和热 (量)概念并不是“状态量 ”能量而是“过程量”,这在任何一本物理教科书中讲热力学第一定律时都写明了的!不能混为一谈.

下面一段说,一般说来,只要一个系统的能量函数可以展开为一些分立的单项之和,我们就能够为每一项起一个名称,从而得到不同的能量“存在形式”.这几句话似乎在支持“旧能量观“.例如,一个自由落体系统 (包括地球M和落体 m),其能量就可写成 m v2/2+m gh,前者为动能,后者为势能,明明白白.但《新》文紧接着说,“可惜,许多物理系统不允许做这样的能量分解.事实上,任何能量转换装置 (刚才讲的是“物理系统”)的能量函数一般都是不可分解的.各种热力发动机将热量 TdS转换为功 -pdV,他们的能量函数中的自变量 (刚才讲的是“能量函数”)S和 V都不能够做这种分解.”这几句话似乎是否定“旧能量观“的.但上面已说过,把热量和功戴上“能量”的帽子,是一项概念错误呀!文章怎么这样难懂呢?

再来看下面说些什么.在肯定了上述分类法“更加简便”之后,又说,“我们并不赞成把由此而区分开来的各种能量流 (而不是能量!)称为不同的‘能量形式’”(这不是否定了前面自己提出的分类法了吗?!).为了说明“能量具有不同形式”这一说法究竟错在哪里,《新》文以电荷为例提出不能根据载体将电荷冠以不同的名称如电子电荷、质子电荷、氯离子电荷等.这样容易使人误认为这些不同的名称表示着不同的物理量.而事实上它们都仅仅涉及一个相同的物理量——电荷.所不同的只是电荷的载体而非电荷本身.(不过也不能太绝对了,因为质子电荷和电子电荷终究还是正负不相同的两种电荷!可参看 Purcell,Berkeley Physics,Electricity and M agnetism,2nded(1985),Sec.1.1,p 3.)因此这样的名称就是错误的,不应该用.(现在的物理文献中像电子电荷、质子电荷、氯离子电荷这样的以载体为冠的名词的确是很罕见的,好像大家已认识到上述错误了.但是像电子的电荷、质子的电荷、氯离子的电荷等这样的指名载体的类似组合词却比比皆是!又好像大家并不认同上述指责.)这些关于电荷的讨论,当然是为了通过类比来说明能量形式这种概念是错误的.根据按类比就应是能量形式的说法可能引起认为能量有不同类型的误解.用这种误解诬称能量形式概念是错的观点本文第三段中已谈过了.

在第 4节能量载体和能量转载体中,“新”能量观似乎解说得更明白了些.作者们说,如果不再使用术语“能量形式”,那么应该选用什么样的术语来替代它比较好呢?作者们回答说:回顾一下前面关于电荷的讨论,就立即呈现在我们面前,那就是使用“能量载体 (energy carrier)来取而代之.我们可以说,随同能量一起流动的那个物质型物理量“运载着能量流动,它是一种“能量载体”.“为了论证“能量载体”的“概念”的合理性,作者们又一次提出了那个普适命题:“当某种东西只是更换其载体而它自身并没有发生变化时,谈论这种东西的形式显然是不合理的.”并以煤的远程运输为例佐证此命题的正确.可是,为什么不能根据例如,井、河道、形成湖、海的地形构造等把这些不同“载体”所载的“自身并没有变化的”水以井水、河水、湖水、海水这样的称呼来区别它们并说是“形式”不同呢?这也“显然”不合理、并容易使你们发生对水的认识的“误导”而应该被废弃吗?普通老百姓能赞同这种观点吗?生活用语也自有真理在!

“新”文在定义了“能量转载体”(就是我们常说的换能器)之后.说道,“在日常生活和技术环境中,到处都充满着能量转载体的例子.比如,在电灯泡里,能量从 (这里作者们省略了冠词“能量”二字,下面几例同此 )载体“电荷”转载到载体“光”上;在电动机里,能量从载体“电荷”转载到载体“角动量”上;在发电站里,能量从载体“物质的量”转载到载体“电荷”上;在热机里,能量从载体“熵”转载到载体“角动量”上”.这些能量转换的事实,用“旧能量观”表述,是:在电灯泡里电能转化为光能;在电动机里,电能转化为动能;在发电站里,热能转化为电能;两相比较,哪种描述更简洁明确,清晰易懂?至于哪种描述的科学含义更精确?我的意见是:我们所讨论的问题,用传统的或旧能量观的语言,根本上是自 1686年以来,科学家们包括莱布尼兹、伦福特伯爵、焦耳、爱因斯坦等,发现自然界普遍存在着一种以物理量“能量”定名的客观实在.能量 (energy)虽然至今还没有清晰的定义(clear definition)但科学家们发现,能量总是和实际的物体或物质同时同地出现,而且和特定物体或物质相联系的能量的大小或多少可以用标志该物体或物质 (不管运动与否)的状态特征的物理量构成的公式计算出来.例如 m v2/2,m gh,niRT/2,ε0E2/2,...等计算出来.物体或物质和能量的这种联系使得前者可称为后者的载体.(请注意这里的载体和《新》文中的“能量载体”概念完全不同!)于是引入了“能量形式”的概念来表明能量可以有不同的载体,并启用了具体的名称如动能、重力势能、热能、电 (场)能、磁(场)能、光能、核能等名称.要注意的是,各种物理教材中一再强调根据众多实验,包括论福特的镗炮筒活计,各式焦耳实验,证明,各种形式的能量是可以按十分确定的当量,如热功当量,相互转换的.因此它们就是同一种客观实在!这是不允许读者们有任何误解的.由此可知,大家都理解的经典能量观是面对客观实在,言之有客观事物,实验证据确凿,说明简洁,清晰易懂.对论述“能量载体”的《新》文,我认为只讨论概念,言不及实际客观 (只言“想象”和“假想”),没有实验根据,多用举例类比论证,用词含糊,逻辑混乱,行文艰涩难懂.只需根据“Experi-ment is the sole judge of scientific‘truth’(见 Fynman Lctures on Physics,Vol 1,p1-1)”,即“实践是检验真理的唯一标准”这一认识论的基本原则,就可以说“能量载体”这一概念是不科学的、错误的,不应该也不可能用它来代替“能量形式”这一科学概念!也就说不上什么“改进”、“推动”和“发展”.建议作者们再读一下物理教材,特别是 Feynman,Lctures on Physics,Vol 14-1 Whate is energy?那一段 (有中文译文,见赵凯华、罗蔚茵,《力学》(二)2.2段).谢谢!

2011-01-19)