物理论文(能量守恒定律)

守恒定律的缘起

04011423 武曦

摘要：守恒定律的创立是极为艰辛的，但是其所取得的成果无疑是极为辉煌的，甚至小学生都知道几条守恒定律，但是守恒定律是否如它看上去那么完美，又是否攻无不克，战无不胜呢？

关键词：迈尔，能量守恒定律，动量守恒定律，宇称。

Law of conservation of Origin

04011423 Wu Xi

Abstract: The creation of the conservation law is extremely hard, but their achieve ments is undoubtedly an extremely brilliant, even a child will know a few conservation law, but whether the law of conservation as it looks so perfect, and whether the all-conquering, war victorious it?

Keywords: Meyer, the energy conservation law, the law of conservation of momentum，parity.

关于守恒定律，其中最著名的便是能量守恒定律，内容为：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。

现在看起来是多么合乎常理的一件事，但是在最初却让人丢掉了性命，这个人的名字叫迈尔。迈尔是一个医生，1840年2月22日，他作为一名随船医生跟着一支船队来到印度尼西亚。由于船员生病，他帮忙治疗，在治疗过程中，迈尔开始思考：人的血液所以是红的是因为里面含有氧，氧在人体内燃烧产生热量，维持人的体温。这里天气炎热，人要维持体温不需要燃烧那么多氧了，所以静脉里的血仍然是鲜红的。那么，人身上的热量到底是从哪来的？顶多500克的心脏，它的运动根本无法产生如此多的热，无法光靠它维持人的体温……迈尔越想越多，最后归结到一点：能量如何转化（转移）？他一回到汉堡就写了一篇《论无机界的力》，并用自己的方法测得热功当量为365千克米/千卡。他将论文投到《物理年鉴》，却得不到发表，只好发表在一本名不见经传的医学杂志上。物理学家们无法相信他的话，很不尊敬地称他为“疯子”，而迈尔的家人也怀疑他疯了，竟要请医生来医治他。他不仅在学术上不被人理解，而且又先后经历了生活上的打击，幼子逝世，弟弟也因革命活动受到牵连，在一连串的打击迈尔于1849年从三层楼上跳下自杀，但是未遂，却造成双腿伤残，从而成了跛子。随后他被送到哥根廷精神病院，遭受了八年的非人折磨。即使后来人们意识到了错误，给予迈尔荣耀，但他也在不久后与世长辞了。

但是我认为，这一切也是有道理的，因为能量这种东西看不见摸不着，他突然提出了这种理论，不为人理解也是理所因当。相比之下，另一个人就要好得多，这个人便是焦耳，焦耳提出这个观点时也有人质疑，但是焦耳是搞实验的，实验给了他信心，所以他经受得住那种压力。并且因为实验，他的观点被人们所接受。这一事例也提醒人们物理实验的重要性。

由于能量守恒定律的发现，人们最想看到的东西——永动机被宣布是不可能的。可笑的是现在还有很多人相信永动机的存在。我看过关于此类的介绍。他们是想通过不断地收取外部的能量来实现“永动”，和永动机的初旨并不相同。

能量守恒定律发现之后又几经波折，但是后来都被证明是有几种能量未被发现，自此能量守恒定律站稳了脚跟。

能量守恒定律是守恒定律之中当之无愧的“老大”，但却不是我们经常用的，我

们经常用的是下面一个守恒定律：动量守恒定律。这个守恒定律的大致内容是：如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零，那么这个系统的总动量保持不变。这个守恒定律很简单，因为我们可以通过牛顿运动学定律推出。但是一直让我疑惑的是：后来连牛顿运动学定律都不管用了，动量守恒定律却依然成立，这就像是逻辑里面大前提都不正确了，而结论仍然正确一样，这一直让我感觉很荒谬。但是这是事实，所以动量守恒定律有着更普遍更深刻的根基。现代物理学已确定地认识到动量守恒定律是和自然界的更为普遍的属性——时空对称性——相关连着的。任一给定的物理实验（或物理现象）的发展过程和该实验所在的空间位置无关，即换一个地方做，该实验进展的过程完全一样。这个事实叫空间平移对称性，也叫空间的均匀性。动量守恒定律就是这种对称性的体现。当然，动量守恒定律的发现也充满了争执：主要是两派：一是主张1／2mv*v守恒；一是坚持mv守恒。当然，后来我们知道这两个都是对的。这让我想起了同样的一件事：光是粒子还是波。我们现在知道光既是粒子也是波，这也在提醒我们：实验才是检验真理的唯一标准。

到目前为止，三大守恒定律已经介绍了两个，最后一个也是我们上大学后才接触的一个：角动量守恒定律。其大致内容为：对一固定点o,质点所受的合外力矩为零,则此质点的角动量矢量保持不变。这么说可能不够形象，举个例子：如果把太阳看成力心，行星看成质点，则上述结论就是开普勒行星运动三定律之一,开普勒第二定律。角动量守恒也是微观物理学中的重要基本规律。在基本粒子衰变、碰撞和转变过程中都遵守反映自然界普遍规律的守恒定律，也包括角动量守恒定律。W.泡利于1931 年根据守恒定律推测自由中子衰变时有反中微子产生，1956年后为实验所证实。我们知道质点系的角动量守恒的推导是用到牛顿第三定律的。这又是一个宏观公式在微观条件下成立的例子。于是我们又想到了时空对称性：任一给定的物理实验的发展过程和该实验装置在空间的取向无关，即把实验装置转一个方向，该实验进展的过程完全一样。这个事实叫空间转动对称性，也叫空间的各向同性。角动量守恒定律就是这种对称性的表现。

由此看来，守恒定律似乎都有着“大背景”，似乎攻无不克，战无不胜，一切都是那么美好与和谐。但真的是这样吗？事实上，守恒定律大军的前行路途上也屡遭挫折，其中比较著名的是宇称守恒定律的破坏：上世纪50年代来，物理学家先后发现一些守恒定律有时并不完全满足对称性。美籍华人物理学家杨振宁和李政道曾提出弱相互作用中宇称不守恒理论并经实验证实：1956年，李政道和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后，大胆地断言：τ和θ是完全相同的同一种粒子(后来被称为K介子)，但在弱相互作用的环境中，它们的运动规律却不一定完全相同，通俗地说，这两个相同的粒子如果互相照镜子的话，它们的衰变方式在镜子里和镜子外居然不一样！用科学语言来说，“θ-τ”粒子在弱相互作用下是宇称不守恒的。在最初，“θ-τ”粒子只是被作为一个特殊例外，人们还是不愿意放弃整体微观粒子世界的宇称守恒。此后不久，同为华裔的实验物理学家吴健雄用一个巧妙的实验验证了“宇称不守恒”，从此，“宇称不守恒”才真正被承认为一条具有普遍意义的基础科学原理。吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变，她在极低温(0.01K)下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明，这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异，而且电子放射的方向也不能互相对称。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。

不仅守恒定律向外扩张的时候遭遇狙击，它们内部也并非铁板一块。比如说能量守恒定律也有不成立的时候：在发生康普顿散射的“二步过程”时能量是不守恒的。

即使守恒定律屡遭挫折，我们还是乐此不疲地发现更多的守恒定律：

自然界中还存在着其它的守恒定律，例如：质量守恒定律，电荷守恒定律……守恒定律都是关于变化过程的规律，它们都说的是只要过程满足一定的整体条件，就可