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1、第五十九章：重新审视力与能量的联系和区别灵遁者人总是在否定自己，最近我就老是这样。看自己曾经写下的很多东西，都觉得不行。让专业的人，去干专业的事情。关于物理的科普也好，关于物理的创新也吧，我早该停下来了。但就像我说的，我们的问题不会有最后一个。当你执着于一个事情的时候，你以为你终于停下来了，但大脑中总会突然冒出一些想法，让你不得不去思考。思考了又忍不住写下来。关于力和能量，我们很熟悉了。从牛顿开始至今300多年了，我们学习了这些知识，我们以为自己很了解这些知识了。但其实我们应该多回头去审视这些定义和概念的精确性，毕竟物理学是在发展中完善和递进的。审视过去的学术，对于我们而言，百利无一害。那么先
2、来说说力。在介绍力和能量的定义和概念之前，我问你，力与能量有什么联系？有什么区别？力和能量都是抽象的概念，抽象能力是帮助我们去繁就简，看清事物本质的能力。力的定义是这样：力是物体对物体的作用，力不能脱离物体而单独存在。两个不直接接触的物体之间也可能产生力的作用。力的单位是牛【N】，力的三要素是大小，方向，作用点。能量的定义是这样的：能量是物质运动转换的量度，简称“能”。世界万物是不断运动的，在物质的一切属性中，运动是最基本的属性，其他属性都是运动的具体表现。也可以表述为能量（energy）是质量的时空分布变化程度的度量,用来表征物理系统做功的本领。现代物理学已明确了质量与能量之间的数量关系，即
3、爱因斯坦的质能关系式：E=MC。能量的单位与功一样是焦耳【J】。OK，上面的内容是力和能量的定义，这都是初中的内容。现在我们来分析一下，看似很简单的内容，其实分析起来很复杂。力和能量都不是可以一句话说清楚的概念。在长达二个世纪之内，力和能量都是混淆的，法国学者科里奥利（Gustave Gaspard Coriolis,17921843）引进了功的概念后，力和能量的概念才被明朗的分开来。首先我们这样来抽丝剥茧，才能从本质上认识力和能量。教科书不会这样教你，但你要学会这样去思考。力和能量是怎么产生的？如何判断有力或有能量存在？那么要谈论这个问题，先得聊聊惯性。惯性也本书中最重要的一个点。我反复强调
4、过，这个点是经典力学和相对论都绕不开的难题。理解了惯性，很多问题都好理解了。看了前面的章节，你肯定清楚了，对于惯性理论贡献最大的一个人是伽利略。他是第一个对此问题有深刻理解的人。但为什么他没有提出力和能量的概念呢？主要是他关于质量的定义是模糊的，所以他不能给出清晰的既适用于静力学，又适用于动力学的力的定义。但他的惯性原理指出，物体在不受外力作用的条件下，能连续作匀速运动。他把力和速度的变化联系在一起。破除了亚里士多德把力和速度联系在一起的长期的思想束缚，为牛顿把力和加速度联系在一起开辟了道路。牛顿首先引入了质量的概念，而把它和物体的重力区分开来，说明物体的重力只是地球对物体的引力。这里说的就是
5、牛顿的第二定律。现在的动力学就是以牛顿第二定律为核心，这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。所以说牛顿是力学体系的奠基人！但牛顿也没有提出能量理论，最早提出能量理论的是莱布尼兹，那个时候能量这个词叫“活力”。能量（Energy）这个词是托马斯杨于1807年在伦敦国王学院讲自然哲学时引入的，针对当时的“活力”或“上升力”的观点，提出用“能量”这个词表述，并和物体所作的功相联系，但未引起重视，人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。读到这里大家应该知道了，这个时候，人们对于力和能量的概念，还是不清晰的。我们现在的学生，包括我上学的时候，初中就开始接触力和能量了。但其实也就是能简单认识这两个概念
6、，很少有学生能融汇贯通的理解，这并不简单。因为初中我们并没有学到微积分理论。牛顿的理论基本还是静力学，后来的达朗贝尔和拉格朗日分别又拓展了牛顿的力学理论，使得动力学理论得到飞速发展。而他们所用的工具，自然就是微积分了。再往后，就是我们说到的托马斯杨了。托马斯杨其实最有名气的实验是衍射实验。这个我在见微知著中有详细介绍。但他在当时还不太受欢迎，为什么这么说呢？他把他的理论印刷成书籍，据说只卖了一本，还是朋友买了。再往后，就是上面提到了科里奥利。他提出功的概念，并且科里奥利开始将动能和功的概念应用到旋转的系统中，然后就有了现在著名的科里奥利力。广泛用于研究气象，洋流等现象。所以大致的研究力和能量的
7、历史，是这样的。最早其实属于哲学方面的认识。然后是亚里士多德的理论，不过亚里士多德的认识是经验性的。再后来就是伽利略【出生1564.02.15-去世1642.01.08】。伽利略去世不到半年，牛顿出生了【1643年1月4日1727年3月31日】。牛顿在伽利略的基础上，建立了力学体系。和牛顿同时代的人物，布莱尼茨【1646年7月1日1716年11月14日】在牛顿出生三年后，也降生了。他开始研究“活力”了。还有一位叫惠更斯【1629年04月14日1695年07月08日】，他是介于伽利略与牛顿之间一位重要的物理学先驱，他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方面也有卓越的成就，是近代
8、自然科学的一位重要开拓者。他建立向心力定律，提出动量守恒原理。左图为布莱尼茨莱布尼茨往后，分别是达朗贝尔，拉格朗日，托马斯杨，科里奥利。这四个人都是出生于18世纪。如果是从伽利略开始算起的话，力和能量的认识，至少走了200年时间。200年的研究历史还不够，后来麦克斯韦，爱因斯坦等又闪亮登场，再次刷新了人们关于能量的认识质能关系。所以这不简单。上面算是简单回顾了力和能量的研究史。接下来该回答上面的提问了。牛顿的惯性定义：惯性，是物质固有的属性，是一种抵抗的现象，它存在于每一物体当中，大小与该物体的质量相当，并尽量使其保持现有的状态，不论是静止状态，或是匀速直线运动状态。牛顿的惯性定律：任何物体在
9、不受外力时，总保持静止或匀速直线运动状态，这就是惯性定律（牛顿第一定律）本书中修改后的定义如下：惯性的定义：在引力场中，物体具有保持当下运动状态的性质，叫做惯性。牛顿第一定律应该是这样的：在引力场中，物体所受外力为零的时候，总保持当下运动状态的运动，叫牛顿第一定律。无论是牛顿的定义，还是本书中修改后的定义，都可以看出，力不是维持物体运动的原因，惯性才是。牛顿第二定律又揭示了力是改变物体运动状态的原因。牛顿第二定律：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。总结：牛顿第一定律(惯性定律)是力的定性的定义，它给出力在什么条件下存在
10、和什么条件下不存在的定性条件。牛顿第二定律给出了力的定量的定义，即力等于动量的时间变率；如果质量不变，力也等于质量乘加速度。牛顿第三定律指出，对于每一个力而言，必有一大小相等方向相反的反作用力存在。它指出所有的力都是成对的，只在两个物体相互作用时才能实现(见牛顿运动定律)。力的作用效果只有两点：1.力可以改变物体的形状，使物体发生形变。2、 力可以改变物体的运动状态（速度大小、运动方向，两者至少有一个会发生改变）。那么如果一个物体发生了形变，或者发生了运动状态的改变，就一定有力存在。力和能量而言，很明显，能量是更本质的东西。一个物体不一定是施力者或受力者，但一定具有能量。无论它处于什么状态，都
11、具有能量。这就是爱因斯坦的贡献。即使不使用相对论质能关系，也可以得到，无论物体处于什么状态下都具有能量的结论。一个匀速运动的不受力的物体，有能量。运动本身具有动能。而由于万物都在运动，万物都受到万有引力的影响，你找不到不具有能量的物体。当然，同样也找不到完全不受力的物体。所以力和能量，能量是更根本的东西。那么现在来回答，力和能量有什么关系？有什么区别？他们之间的联系就是功，其实上面已经说了。力对物体持续【时间】作用的累积，就是功。是物理学中表示力对物体作用的空间的累积的物理量。而能量也是用功来表示的，这不是它们之间的联系吗？不同点，和区别的地方，就在于能量是更根本的东西。你可以想象一个物体不受
12、力，但你不能想象一个物体没有任何能量。因为某物体受力是有条件的，但某物体具有能量，是不需要条件的，有质量的物体，都具有能量。这不难理解。而且在此书中关于质量的定义就是：质量是物体在相对时空中的一种物理属性，物体所蕴含能量的多少是物体质量的量度。也可以通俗的说，能量是普遍存在的，力却不是普遍存在的。我们也知道能量守恒定律，但没有听说过力的守恒定律。其实力可以看作是能量的“表现”，没有无缘无故的力，哪怕是引力也是。必须有物质存在，才能说有引力。而爱因斯坦的拓展，就是告诉我们，质量和能量是一个东西，是一东西不同的形式表述而以。质量具有惯性，能量也具有惯性。这就是力和能量的区别和联系。还有一点，能量是
13、守恒定律告诉我们，能量是永恒存在的，不会灭亡。而力不是永恒存在的，但记住，力的作用，力产生的作用效果其实是永恒的。就好像我们说的“蝴蝶效应。”蝴蝶用力煽动翅膀，扇了一下，力作用于空气，空气又给蝴蝶一个力。力推动空气运动，空气又影响周围空气也可以说，力转化为了能。课本问题，和现实中遇到的问题还是有区别的。比如我给你留一个问题，你来回答一下。我们假设你作为成年人一拳可打出200N的力，你现在一拳打在空气中，如果根据作用力和反作用力相等，你会受到一个反作用力，可是为什么你感觉这个反作用力很小。而打在墙上，却疼的无法忍受？你回答完这个问题，我再深化一下问题。你再想想该怎么回答。假如在真空房间中空无一物
14、，一个铁拳，知道质量10kg，也知道它的加速度达到了10m/s2。这时它一拳打在真空中。问题是力产生了吗？力的大小应该是多少？还有一个点，学生们应该很少会问这个问题，可能不是因为想不到这个问题，而是认为问这个问题傻。那就是力的传递速递是多少？如果认真看完了此书的内容，你可能会对这个问题愣一下。但应该很快就能想明白，并不难。力包括很多力，比如重力、万有引力、弹力、摩擦力、分子力、电磁力、核力但力的本质一样，都是物体对物体的作用。那么就很清楚了，引力的传播速度是光速，那么力的传递速度上限就是光速。肯定有低于光速的，比如空气振动产生的力，空气振动不能达到光速。同样能量传递的速度上限，也是光速。光本身
15、也是一种能量。这一章的内容，要接近尾声了。在这里提一个和本章看似无关的内容，是读者在微信上问我的。他问我说：“你认为时间是没有过去，没有未来的，可是过去是实实在在的呀？你能说它是假的吗？虚拟的吗？”首先本书中时间的定义是这样的：时间是物质在引力场中的位置以及运动速度的应变度量过程；它是物质存在的客观形式。我是这样回答他的：从定义你可以看出，时间是强调当下时间的。但不是说，时间是一个点，时间对具体物体而言，是一个点。但从宇宙万物来说，就是一个大的场。你可以理解为高低不平，快慢不同的时间海洋。物体处于宇宙中不同的位置，有不同的质量和速度，那么时间流逝一定是不一样的。不是说过去是虚拟的，不是说过去的
16、时间是假的。过去是真实的，过去的时间也是真实的。但说时间没有过去和未来，是为了说明，过去的时间不再是可以利用的时间，它已经失去了“时间”的意义。未来也一样，未来的时间，还没有显示其实用性，你无法把过去和未来的时间利用在你身上。只能说过去的时间，是既定的事实事件，未来的时间，是未来的既定事件。而且在前面章节，有说到过，时间，空间，物质是一体的，无法分离的这个概念。这就是我给这为读者的回答。其实你仔细去想，从惯性，力，能量；惯性定律，楞次定律，和其他各种守恒定律，都可以从中感受到万物的联系和万物的协作，一定是有原因的，一定是统一的。我们不理解的东西，仅仅在于知识面还没有达到那个东西之上。我们需要做的，就是搭桥，当桥搭足够多的时候，你会发现，原来通往那个我们不理解的地方的路，在这里啊。生命在于运动，生命更在于探索！ 灵遁者
