从现象到本质

从现象到本质

我们在教授给学生知识的同时，让学生能够在学习过程中体会到乐趣，是激发学生学习一门学科的有效的方式。俗话说：好知者不如乐知者，说的就是这种情况。在物理教学中加入一些科学史料，可以充分激发学生学习某一课题的学习兴趣，这里我们要说的是能量研究的几个过程中体现出的各个代表人物以及其主要的贡献。

能量对人类的生存至关重要。我们需要能量来建筑周围的各类建筑物，以供我们居住、工作或者作为保护场所，我们需要能量来传递各类东西，包括信息，我们需要能量来点亮我们的房子，赶走夜晚的黑暗。更重要的是，能量对于生命本身也是至关重要的，可以说，没有能量就没有生命体的存在。那么，究竟什么是能量呢？到底是什么原因使得能量对于我们如此之重要？

为了回答这些问题，科学家们建立了一整套看起来奇奇怪怪的定律，把时间万物与发动机、人类和宇宙中的恒星联系在了一起。结果证明，对于人类日常生活如此关键的能量还能够帮助我们了解整个的宇宙。这些规律的建立大概经历了如下几个主要的阶段：

第一个阶段：能量本质的萌芽阶段

在人类史上，人类发现了各种各样的方法和方式从其生存的环境中获取能量。其中从最简单地收集各种果实，到燃烧，到海上行船，到水轮。但是，大约300多年前，某件令人惊奇地事情发生了。人类发明了机器，于是开始有能力使用大量的能量，做到原来不可能完成的工作。当然机器的出现源于很多人的努力，也处于各种不同的原因，但其中一个引人注目的科学家是科学史上最有魅力的角色之一，也是人类中首先要解开能量之谜的科学家之一―戈特弗里德?莱布尼茨，德国著名的自然科学家、数学家、物理学家、历史学家和哲学家，一位举世罕见的科学天才，和牛顿同为微积分的创建人。他的研究成果对丰富人类的科学知识宝库起到了不可磨灭的作用。研究宇宙的运行机制一直是莱布尼茨永不磨灭的兴趣所在。与他同时代的科学家们相同，莱布尼茨确信宇宙是万能的造物主创造的一台巨大的机器。如果能够理解机器的工作原理，就应该能够理解宇宙的运行规律。对他来讲，神学和哲学有着不可分割的紧密联系，另一方面，工程学和力学之间也密切相关。1676年，正是神学和哲学之间的密切关系引导着莱布尼茨研究第一眼看上去非常简单的一个问题：当物体之间相撞时会发生什么？当两个球碰撞在一起时，一个球的运动传递到了另一个球上，似乎二者之间传递了什么，莱布尼茨称之为活力。他认为，正是这种活力像一个物理实体一样在碰撞过程中从一个小球传递到了另

一个小球。由此，莱布尼茨认为，整个世界就是一台活的机器，造物主把一定量的活力放在了这架机器中，这些活力将会永远保持不变。所以，世间的活力是守恒的。问题是如何定义它。

此后，莱布尼茨又建立了一个简单地数学模式用以描述他的“活力”。但是，他还意识到了一些其他的东西。他发现，在枪支用的弹药、火和蒸汽中，他的“活力”通过激烈地有力的方式释放了出来。如果这些力量能够驾驭，那么人类就能够得到难以想象的力量。于是他马上对如何捕获活力的方式入迷了。他的研究发现，如果这种“活力”在某些情况下的确能够被驾驭。比如，热可以转化成其他形式的运动。尽管莱布尼茨及其合作者们的想法意义重大，也很有远见，但是要用到实际中，还需要很多的条件。

第二个阶段：十七世纪末到十九世纪中叶

这一阶段，积累了大量的实验与观察的结果，莱布尼茨的梦想中的机器被制造了出来，这就是蒸汽机，蒸汽机成为了十九世纪的尖端技术。站在人类文明发展的角度看，蒸汽机的出现是一个伟大的进步，因为蒸汽机取代人力、动物力，成为了主要的生产力。这一时期，人们对于“热”的本质展开了大量的研究和激烈的争论，为热力学的理论做好了基础。其中，法国物理学家卡诺出色地运用了理想模型的研究方法，精心构思了理想化的热机―卡诺可逆热机，提出了作为热力

学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。卡诺的贡献是显著的。但是，这一阶段，热力学的研究还仅仅停留在描述热力学现象上，没有引进任何的数学表达。

第三个阶段：十九世纪中叶到十九世纪70年代末

这一阶段，热力学的第一和第二定律已经完全理论化。这里面的代表人物是亥姆霍兹，1847年，他发表的《论力的守恒》中，第一次系统地阐述了能量守恒定律，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到了热、光、电、磁、以及化学反应等过程中，解释了运动形式之间的统一性。这些形式的能不仅能够相互转化，而且在量上还有一种确定的关系。能量守恒与转化使得物理学达到了空前的综合与统一。能量守恒定律用于热力学中就是热力学第一定律。热力学第一定律和卡诺理论的结合导致了热力学第二定律的成熟。而以牛顿力学为基础的气体动力学也开始发展。但是这一阶段，人们还不了解热力学和气体动力学之间的关联。

第四阶段：十九世纪70年代末到二十世纪初期

整个阶段的代表人物是奥地利的物理学家路德维克.波

尔茨曼。他首先把热力学与分子动力学的理论相结合，发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系，导致了统计热力学的诞生，他还提出了非平衡态的理论基础。波尔茨曼使科学界接受热力学理论，尤其是热力学第二定律方面立下了汗马

功劳。可惜的是这位才华横溢的科学家却饱受抑郁症的折磨，1906年，自缢身死。

第五阶段：二十世纪20年代至今

这一阶段的主要特色是引入了量子力学，建立了量子化学、统计人力学，同时使得非平衡态理论进一步得到发展，形成了近代理论与实验物理学中的重要一环。主要代表人物是量子物理学的开创者和奠基人―德国物理学家普朗克，他的贡献极其突出。普朗克在能斯特研究的基础上，利用统计理论指出：各种物质的完美晶体在绝对零度时熵为零。

由此可见，在过去的300多年中，我们建立了更有效地、更精确的方式来驾驭能量，但对于整个宇宙来讲，所有地变化趋势都是在从有序走向无序，从更广阔的角度看，整个宇宙的发展的趋向如何，有很多的猜想，但事实是什么，谁也没有一个明确的答案，由此也留给我们更多的研究和想象的空间。