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【科学大唠嗑】物质是什么(四)

科学大唠嗑


张 喆

天津市天文学会会员

天津科技馆科普辅导员

我们对于物质探讨的话题已经是第四期了,这一次咱们不聊哲学只聊科学。17世纪的科学家们所采用的物理描述中,原子都是普遍存在的,即便是当时的人们对于原子是否存在还有很多疑问。艾萨克·牛顿对于那些无法通过直接证据来确认存在的事物不太在意,这一点和玻意耳一样,他们只相信自己感受到的一切。

自然哲学的数学原理

牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》在1687年第一次出版,而在1713年出版的第二版中,牛顿增加了4条“推理法则”。其中的第3条涉及“物体的属性”,包含了牛顿原子论观点的部分结论。他坚持认为,一个物体的形状、硬度、不可穿透性、运动方式和惯性都来自某些相同的特性,而这些特性在物体的“最小部分”上都会有所体现。

牛顿还认为,宏观物体的可见性质和行为完全可以通过组成它们的微观原子的性质和行为来理解,这一观点也和玻意耳相同。我们应该把注意力放在描述那些可观察、可测量的物体的运动上,这就是运动学的问题,并且为这些运动做出基本的解释,这就是动力学的问题,任何关于宏观物体的发现都可能同样适用于组成它们的微观原子。

牛顿在《原理》一书第一卷的开头是这么说的:

物质的量是起源于同一物质的密度和大小联合起来的一种度量……在之后每次提到“物体”或“质量”时,我指的都是这个量。它可以通过每个物体的重量得知:通过由极精确的单摆实验,我发现它与重量成正比,关于这点我将在后面进行详细的介绍。

牛顿为我们建立了一个框架,这个框架建立在约定俗成的距离和时间测量单位之上,对物体运动的任何观察和测量都需要在这个能够进行观察和测量的框架之下进行。

牛顿认为,每个物体都有一个固有的质量,也就是该物体所含的“物质的量”,质量和密度、体积相关,通常用符号m来表示。质量的定义里有这样一个性质,它可以阻碍物体运动状态发生变化,而这一部分质量我们称之为惯性质量。牛顿利用大量的实验证据构建起了牛顿第一定律:任何物体都会保持匀速直线运动或静止状态,直到施加的外力改变它的运动状态为止。

牛顿





通过第一定律,牛顿引入了另一个概念,那就是力。

牛顿认为,这是一种施加在物体上的“作用”,它会改变物体静止或是匀速直线运动的状态。这种力就是作用,只会在作用期间产生影响。一旦作用结束,物体就不再受力的影响,它将保持新的运动状态并且继续运动下去,直到另一个力作用于它为止。

现在我们来想象一个不受外力的理想球体在真空中运动的情况,根据牛顿第一定律,它会做匀速直线运动。如果这个球体的惯性质量为m,其移动速度为v,那么我们就能确定它的动量,就是质量与速度的乘积,即mv。这就是牛顿所说的“匀速运动”。

静止的物体没有速度,也就没有动量。如果想让一个静止的物体运动起来,就需要对它施加一个外力来改变物体的动量。同样的,对于一个在匀速运动的物体施加一个外力,我们也能改变它的动量。动量的改变量由牛顿第二定律决定:运动的变化与引起变化的力的大小成正比,方向与力的方向成一条直线。

这样,力作用的效果与力施加的方向就有了很大的关系。运动方向与力作用的方向相同,物体的动量就会增加;相反,物体的动量就会减少;如果施加力的方向和运动方向不在一条直线上,物体则会改变运动方向。用公式表示就是F=ma,虽然这是一个极为著名的公式,但它并没有出现在《原理》一书中,这个公式常被称为“欧拉表述”,以18世纪瑞士数学家莱昂哈德·欧拉的名字命名。

牛顿故居





牛顿第二定律可以相当直观的解释生活中遇到的各种现象。

用一定的力量抛起一块石头,那么它会加速到一定的速度,飞到半空中,最终因为重力返回地面。要是换成一个更重的石头,它具有的惯性质量就更大,我们需要用更大的力量抛起它才能达到与之前那块石头一样的加速度。这种对力、质量和加速度之间微妙的相互作用的描述虽然很简单,但是意义重大。

牛顿的运动定律确实可以很好的解释我们对于日常生活中遇到的各种现象,但是在某些情况下运动定律并不适用。事实证明,在原子和亚原子微粒的微观层面上,以及接近光速的情况下,自然规律发生了改变,对于这些情况以后的内容会讨论。但是对于地球上大多数日常事物来说,牛顿定律仍然适用。

在《原理》一书中,牛顿为我们今天的经典力学奠定了基础,这个体系在我们可以认知到的使用范围内不断地得到验证。它关于时间和空间、质量和力的核心概念从直观上很有吸引力,与我们的日常生活经验相当契合。只需要适当地对经典力学体系中的定律加以补充,就可以解释我们熟悉的宏观物体在三维空间中进行的所有运动。

可是,牛顿的思想并不只局限于地球上的由原子组成的物体的力学问题,尽管当时人们还不能确定物质是不是由原子组成。他把自己的理论扩展到地球以外,描述天体的运动,特别是行星的运动。如果这一尝试能够成功,那么牛顿力学将会被扩展到无限大的范围。这个理论将适用于所有形式的物质,从微观原子到地球上的物体,再到可见宇宙中最遥远的天体。





不过,牛顿还需要一条新的定律来完成这一宏大愿景。这个定律就是引力的平方反比定律。

与运动定律不同的是,牛顿著名的万有引力平方反比定律在《原理》中并没有被赋予包含“定律”一词的名字。这与牛顿和罗伯特·胡克之间的一段恩怨有关,牛顿一度想整体删去《原理》的第三卷,但他没有这么做,而是把这部分换成了对天文观测结果的更为慎重的总结。

在牛顿撰写《原理》的时候,人们就已经知道地球之外还有水星、金星、火星、木星和土星。牛顿指出,每颗行星绕太阳公转一周的时间与行星和太阳之间的平均距离有某种幂次关系。具体来说,轨道周期T与平均距离r的3/2次方成正比,这一关系稍做整理就是开普勒行星运动第三定律。

牛顿后来得出结论,所有物体都会受到引力,引力与每个物体中所含物质的量成比例。之后,使用开普勒第三定律推导出一个物体对另一个物体的引力大小,从而得到另一个结论,如果两个均匀球体之间互相有引力作用,则任一球体受到另一球体的引力大小与两个球心之间距离的平方成反比。

但是引力与我们在讨论运动定律时所考虑的那些通过相互作用而产生的力性质并不相同,作用力是外加的。引力似乎是一种“超距作用”。相距很远的两个物体可以隔着一段空间相互作用,其间没有任何明显的接触和传递介质。

对于这个问题,牛顿自己解释道:

一直未能从引力现象中发现引力性质的成因,也没有形成任何猜想。

更糟糕的是,在经典力学中,运动和引力似乎是不同的,一些物理学家就提议将引力质量和惯性质量区分开来,更有甚者还会将引力质量再划分为主动引力质量和被动引力质量。但是在实际应用中,这两种不同的测量质量的实验方法得出的结果都是相同的,这被称为“伽利略等效原理”或是“弱等效原理”。因此,物理学家们经常不加区分地使用它们。





今天,我们发现经典力学的基础其实是相当不稳固的。

我们无法从理论上解释生活中天天打交道的惯性质量的性质,但是这些肯定是物质实体最为重要的性质,也可以说是“基本”性质。我们也无法解释万有引力现象,而这又是所有物质所共有的另一个重要的基本性质。解释不了,我们只能承认,我们对这些事物的认识还不够深。

下一次咱们来从化学和元素的角度来继续探究物质的奥秘,咱们下周见。

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“科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目,每周更新一次,作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动,也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗?》的领读者。对于天文爱好者,此栏目是一个相当大的福利。对天文还未有过了解的书友们,这也是一次增长天文知识的机会。期待张老师下一次更新!



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