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牛顿力学理论中‘力’概念的局限性
在《牛顿运动三定律全是广义相对论的近似吗?》那一篇博文中,我曾指出
牛顿运动定律只是由实际现象抽象而成的近似理论;牛顿运动定律所藉以建立的
一些基本概念同广义相对论所藉以建立的一些基本概念差别很大,甚至不相容。
力是物体之间的相互作用。就‘力’的概念来说,它在牛顿运动定律中的含
义与在广义相对论中的含义相比,差别更为明显。通过本文的分析,我们将要看到,
在广义相对论中‘力’的概念所概括的范围,比在牛顿运动定律中‘力’的概念所
概括的范围要广泛得多。因之,在牛顿力学理论中‘力’概念是具有局限性的。本
篇博文打算比较详细地说明牛顿力学理论中‘力’概念的局限性。
在牛顿力学中,认为‘力’具有如下一些特性:1),一个力总是与两个物体
相联系,一个为施力物体,另一个为受力物体;2),力都具有大小、方向、还有作
用点,称为力的三要素;3),‘力’总是成对出现的,这一对力互称为作用力和反作
用力,两者大小相等、方向相反,沿同一直线作用,作用力的施力物体和受力物体
与反作用力的施力物体和受力物体互换;4),力遵守叠加原理,这就是说,当一个
物体同时受到几个物体施加力的作用时,所获得的加速度等于在那几个物体分别所
施加力的合力作用下所获得的加速度,这相当于假定,两个物体之间的相互作用力,
只与这两个物体的相对位形和相对速度有关,而不受周围其它物体的影响;5),认
为力的作用是瞬息传播的。这些特性是根据地球附近宏观力学现象抽象而成的近似
看法。必须强调,这些特性是有局限性的,下面我们将看到,在更广泛的情况下,
这些特性之中,有的可能不成立。
在牛顿力学中所涉及的力,主要是万有引力、张力、压力、弹性力、摩擦力、
黏滞力等等。除万有引力外,牛顿力学中所涉及的力,包括张力、压力、弹性力、
摩擦力、黏滞力等等,其起源都可追索为两物体接触处的分子或原子间的电磁相互
作用。不过,在牛顿力学中,不去详细研究这些出现在两物体接触处的分子或原子
间的电磁相互作用;只笼统看成是,在两物体接触之处出现了宏观力,这些宏观力
大致基本满足牛顿力学所认为的 ‘力’应具有的上述五条特性。在牛顿力学中也不
研究宏观的电磁相互作用;宏观的电磁相互作用由电动力学研究。由于电磁相互作
用系通过电磁场以光速传播,电动力学须结合相对论来进行研究;如果引力可忽略
不计,只要结合狭义相对论,如果引力不可忽略不计,则要结合广义相对论。电磁
相互作用有时只施加力矩而不是施加力,例如,中子不荷电但具有一定的磁矩,在
均匀磁场中,中子便要受到力矩而不是力的作用;在这种情况下,便无法说明力矩
中之力的大小、方向、作用点如何确定。
牛顿力学只研究弱场慢速情况下的万有引力,当引力场较强时,便只能用广义
相对论来进行研究。在广义相对论中,把引力解释为时空的弯曲效应。考虑一质点
因时空的弯曲沿测地线运动,若采用上述解释,此质点是受力物体,引力场似可看
成是施力物体,但如何理解反作用力?特别是,如果把引力的出现解释为交换‘引
力子’的结果,则“反作用力作用在何处?”就更说不清了。作用在引力子上?作
用在引力场上?作用在生成引力场的全部物体上?似乎都与牛顿力学的理解不一致。
究其原因,乃是牛顿力学对‘力’之概念的理解是有局限性的,不能把牛顿力学中所
认为的‘力’之特性推广到牛顿力学不适用的更广泛的情况。
牛顿力学也不适用于研究强相互作用和弱相互作用。核力是强相互作用的表现,
核力是多体力,两个核子的相互作用力要受到其他相邻的核子的影响,因之核力不遵
守叠加原理,这与牛顿力学中力的特性不相同。又如原子核的裂变和聚变的出现也
是由于强相互作用,在裂变或聚变时,原子核变化了,能量释出了;但在裂变或聚
变过程中,‘力’如何变化则难以说清楚。弱相互作用也有类似的表现,弱相互作用
在β衰变中起重要作用,β衰变中放出电子和中微子;粒子改变了,能量变
化了,但在β衰变中,‘力’如何变化则难以说清楚。因此与牛顿力学不同,在研
究强相互作用或弱相互作用时,我们着重研究能量的变化,而不着重研究力的变化。
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