陳敏華

（浙江省紹興縣豫才中學(xué)，浙江 紹興 312000）

1 引言

亞里士多德曾聲稱，獨(dú)立存在的是個(gè)別事物，或用亞里士多德主義的術(shù)語(yǔ)說(shuō)是“實(shí)體”.［1］艾菲爾鐵塔、鄰居家的馬、這支鉛筆，都是個(gè)別事物，是亞里士多德意義上的實(shí)體.它們獨(dú)立存在，因而是“實(shí)在”（reality）.相反，艾菲爾鐵塔的高度、鄰居家馬的金黃顏色、鉛筆的六角形狀，都是一些屬性.這些屬性不能獨(dú)立于塔、馬和鉛筆存在.

在一些文獻(xiàn)中，物理實(shí)在（physical reality）［2］又叫做物理世 界 （physical world），［3］或 物 理 系 統(tǒng) （physical system）.［4］對(duì)物理實(shí)在的屬性的描述有多種方法.物理學(xué)家常采用物理量（physical quantity）來(lái)描述物理實(shí)在的某些屬性.因而，對(duì)一個(gè)物理系統(tǒng)，我們需要多個(gè)物理量來(lái)描述它.從理論上講，無(wú)論我們用多少個(gè)物理量來(lái)描述一個(gè)物理系統(tǒng)，我們總不能把它的所有屬性完全描述出來(lái).所以，用物理量來(lái)描述物理系統(tǒng)跟用其他方法來(lái)描述一樣，總是不完備的.比如，我們知道一個(gè)光子的能量是hν，而這僅僅描述了光子的一個(gè)方面；要更全面地描述光子，我們還需要?jiǎng)恿?、溫度、化學(xué)勢(shì)等物理量.

在物理教科書中，我們總是把描述物理屬性的物理量說(shuō)成是物理系統(tǒng)所“具有”的.比如，我們通常這樣說(shuō)：一個(gè)光子“具有”hν的能量和的動(dòng)量.顯然，這里“具有”的意思并不是說(shuō)光子這個(gè)物理系統(tǒng)中真正“具有”這些物理量，因?yàn)檫@些物理量是人們所創(chuàng)造出來(lái)的，并不是真正的“實(shí)在”.然而，隨著這種說(shuō)法成為人們的日常話語(yǔ)時(shí)，對(duì)于不加深入思考或初學(xué)物理學(xué)的人來(lái)說(shuō)，很容易把物理量當(dāng)作“實(shí)在”來(lái)看待，從而把物理系統(tǒng)和描述物理系統(tǒng)的物理量混為一談.尤其是當(dāng)我們一直強(qiáng)調(diào)某一物理系統(tǒng)的某一物理量時(shí)，隨著時(shí)間的推移，人們會(huì)把這一物理量與這一物理系統(tǒng)等同起來(lái).把hν說(shuō)成是光子，就是一個(gè)典型的例子.這樣的錯(cuò)誤說(shuō)法對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)物理來(lái)說(shuō)是不利的.然而，我們發(fā)現(xiàn)，在物理教科書中這種錯(cuò)誤說(shuō)法還是有一定數(shù)量的.因而有必要來(lái)加以澄清和糾正.

2 舉例

2.1 光子hν

根據(jù)普朗克能量量子化理論，帶電微粒是以最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收能量的，這個(gè)不可再分的最小能量hν叫做能量子.顯然，能量子仍是一個(gè)物理量，而不是一個(gè)物理實(shí)在.然而，在一些物理教科書中，卻把能量子當(dāng)作組成光子的物理實(shí)在［5］.光本身就是由一個(gè)一個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，h為普朗克常量.這些能量子后來(lái)被稱為光子（photon）.

因此，我們不能說(shuō)“光子就是能量子，就是hν”，而應(yīng)該說(shuō)“一個(gè)光子的能量為hν”.

類似的錯(cuò)誤說(shuō)法還有，“當(dāng)正電子和電子碰撞時(shí)，它們兩者都被湮滅掉……，物質(zhì)被直接變成了能量.……湮滅的逆過(guò)程也能發(fā)生，即能量可直接轉(zhuǎn)變成物質(zhì).”［6］“11H

以上這些表述其實(shí)是唯能論的反映.唯能論之所以是錯(cuò)誤的，是因?yàn)楣庾拥哪芰刻卣鞑荒芴娲娜刻卣?唯能論在前提上就是根本錯(cuò)誤的.［8］

因此，我們不能說(shuō)“電子和正電子的反應(yīng)產(chǎn)生能量”，而應(yīng)該說(shuō)“電子和正電子的反應(yīng)產(chǎn)生光子”.同樣，反應(yīng)方程“e－＋e＋＝2hν”應(yīng)改為“e－＋e＋＝2γ”.

2.2 能量形式和能量轉(zhuǎn)換器

我們通常把能量這個(gè)物理量表示為各種不同的形式，如電能、化學(xué)能、熱能、動(dòng)能、勢(shì)能、電場(chǎng)能等.我們已經(jīng)習(xí)慣于這種表達(dá)方式了，并且這種表達(dá)方式能幫助我們區(qū)分各種不同的物理現(xiàn)象.然而，它們?cè)诮虒W(xué)中至少存在著兩方面的誤導(dǎo)作用.有些能量形式的名稱（如電能、化學(xué)能、熱能）會(huì)誤導(dǎo)我們不同的能量形式是不同的物理量，尤其是當(dāng)我們同時(shí)運(yùn)用能量轉(zhuǎn)換器（如我們通常這樣說(shuō)，“發(fā)電機(jī)把熱能轉(zhuǎn)換成電能，電池把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能”）這個(gè)名稱時(shí)；有些能量形式的名稱（如電場(chǎng)能）會(huì)誤導(dǎo)我們能量是一種物理實(shí)在，尤其是當(dāng)我們同時(shí)運(yùn)用能量?jī)?chǔ)存器這個(gè)名稱時(shí).

如果我們像對(duì)待其他物理量（如電荷量、質(zhì)量等）一樣來(lái)對(duì)待能量這個(gè)物理量的話，我們就會(huì)覺(jué)得上述能量形式的說(shuō)法確實(shí)會(huì)給人以錯(cuò)誤的印象，能量是一種物理實(shí)在，或不同的能量形式是不同的物理量.比如，我們不會(huì)根據(jù)在電荷量傳遞的過(guò)程中不同的電荷攜帶者來(lái)給電荷量這個(gè)物理量取不同名稱：電子電荷、質(zhì)子電荷、Cl離子電荷等；我們也不會(huì)根據(jù)質(zhì)量?jī)?chǔ)存在不同的地方而給質(zhì)量這個(gè)物理量取不同的名稱：人體質(zhì)量、石頭質(zhì)量、土豆質(zhì)量等.

八個(gè)獵人，八對(duì)夫妻，八個(gè)家族，就按照坐落位置又分了八旗，也就是現(xiàn)在說(shuō)的：正黃旗，正紅旗，正藍(lán)旗，正白旗，鑲黃旗，鑲紅旗，鑲藍(lán)旗，鑲白旗。[注]夏秋主編：《滿族民間故事·遼東卷》下卷，遼寧民族出版社，2010年，第253頁(yè)。

實(shí)際上，在所謂的“能量轉(zhuǎn)換器”（energy transformer）中，物理量實(shí)際上并沒(méi)有轉(zhuǎn)換.能量是廣延量（extensive quantity），又 叫實(shí)物型物理量 （substance－like physical quantity）.我們發(fā)現(xiàn)，能量總與至少一個(gè)別的實(shí)物型物理量同時(shí)流動(dòng).例如，在用繞有繩子的電動(dòng)機(jī)來(lái)提升一個(gè)重物時(shí)，能量與電荷量一起從電源流入電動(dòng)機(jī)，再與動(dòng)量一起通過(guò)繩子流到重物.由此，有人提出，把與能量一起流動(dòng)的物理量叫做能量攜帶者（energy carrier），并把“能量轉(zhuǎn)換器”這一名稱改為“能量收發(fā)器”（energy transceiver）.［9］

顯然，將“能量形式”改為“能量攜帶者”和將“能量轉(zhuǎn)換器”改為“能量收發(fā)器”后，在一定程度上能消除人們對(duì)能量的錯(cuò)誤理解.然而，這里我們?nèi)匀贿\(yùn)用了比喻的方法，只不過(guò)這種比喻更能使我們正確理解能量這一物理量.因此，我們?nèi)砸嵝褜W(xué)生，不要將它當(dāng)作物理實(shí)在來(lái)看待.

2.3 質(zhì)點(diǎn)和點(diǎn)電荷

在物理教科書中，與質(zhì)點(diǎn)這一名稱有關(guān)的概念有2個(gè)：一個(gè)是對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)可忽略的物體的抽象，在英文詞匯中用“particle”表示；［10］另一個(gè)是與質(zhì)量這個(gè)物理量有關(guān)的概念，即有質(zhì)量的物質(zhì)點(diǎn)，在英文詞匯中用“mass point”表示.［11］無(wú)論是哪個(gè)概念，都不利于學(xué)生對(duì)相關(guān)物理量的正確理解.

除了功和熱量，所有物理量都是描述系統(tǒng)狀態(tài)的.我們又可以把這些物理量分成與點(diǎn)、線、面、體有關(guān)的4類.那些強(qiáng)度量（如溫度、速度、電勢(shì)等）與點(diǎn)有關(guān)，它們都是指系統(tǒng)內(nèi)某一點(diǎn)的.電勢(shì)差是電場(chǎng)強(qiáng)度沿某一路徑的積分，所以像電勢(shì)差這類物理量與線有關(guān).像電流、動(dòng)量流、能流等物理量與通道的橫截面積有關(guān).還有一類物理量與體積有關(guān)，它們分布在一定的空間，有相應(yīng)的密度.這類物理量就是我們前面提到過(guò)的廣延量，又叫實(shí)物型物理量.這些物理量包括質(zhì)量、動(dòng)量、電荷量、熵、物質(zhì)的量等.

對(duì)于第1個(gè)質(zhì)點(diǎn)概念，雖然它與質(zhì)量無(wú)關(guān)，但與力有關(guān).當(dāng)幾個(gè)力作用在一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上時(shí)，由于質(zhì)點(diǎn)沒(méi)有大小，在這些力的作用下這個(gè)質(zhì)點(diǎn)當(dāng)然不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng).從這一點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，一個(gè)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的物體可以簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn).然而，根據(jù)牛頓第二定律的微分形式，我們可以看出，力就是動(dòng)量流，是一個(gè)與面積有關(guān)的物理量.動(dòng)量流（力）怎么可以通過(guò)一個(gè)沒(méi)有大小的質(zhì)點(diǎn)呢？這是導(dǎo)致學(xué)生在理解力這個(gè)概念時(shí)感到困惑的原因.在學(xué)習(xí)力的概念時(shí)，我們總要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)力的3要素：大小、方向和作用點(diǎn).然而，在解釋一些實(shí)際現(xiàn)象時(shí)，力會(huì)使學(xué)生感到捉摸不透.

現(xiàn)在，我們很容易看出第2個(gè)質(zhì)點(diǎn)概念的缺陷.因?yàn)橘|(zhì)量是廣延量，是與體積有關(guān)的物理量，因此我們很難將這樣的物理量與一個(gè)體積為0的點(diǎn)聯(lián)系起來(lái).

在流行的物理教科書中是這樣來(lái)定義點(diǎn)電荷的：

“當(dāng)帶電體間的距離比它們自身的大小大得多，以致帶電體的形狀、大小及電荷分布狀況對(duì)它們之間的作用力的影響可以忽略時(shí)，這樣的帶電體就可以看做帶電的點(diǎn)，叫做點(diǎn)電荷（point charge）.”［12］

顯然，點(diǎn)電荷的概念也存在同樣的缺陷.自然界中不存在純電荷的物理實(shí)在，電荷（量）其實(shí)是描述帶電體某一屬性的物理量.包括電子在內(nèi)，僅僅用電荷量來(lái)描述它是不夠的.因此，點(diǎn)電荷跟質(zhì)點(diǎn)一樣，也是將一個(gè)廣延量與一個(gè)體積為0的點(diǎn)聯(lián)系起來(lái).如果按照上面的定義，這種帶電體既不僅僅是點(diǎn)電荷，同時(shí)也是質(zhì)點(diǎn)，因?yàn)閹щ婓w也是有質(zhì)量的，甚至還有動(dòng)量、能量等.

2.4 熱質(zhì)

我們知道，熱質(zhì)（caloric）是歷史上的一個(gè)錯(cuò)誤概念.然而，知道它為什么是錯(cuò)的也具有很深遠(yuǎn)的教學(xué)意義.

在18世紀(jì)中葉，蘇格蘭醫(yī)生布萊克（Joseph Black）提出了這樣的觀點(diǎn)，溫度是熱的強(qiáng)度（the intensity of heat），因而是強(qiáng)度量；熱量（the amount of heat）則不同，是廣延量.后來(lái)，他開(kāi)創(chuàng)了量熱技術(shù).根據(jù)他的測(cè)量結(jié)果，他提出，熱是一種物質(zhì).后來(lái)法國(guó)科學(xué)家拉瓦錫（Lavoisier）把它取名為熱質(zhì).［13］

熱質(zhì)說(shuō)能夠非常容易地解釋當(dāng)時(shí)已知的許多熱現(xiàn)象，物體有一定的溫度，是因?yàn)槲矬w內(nèi)部都滲透著一定量的熱質(zhì)；物體溫度的變化是由于熱質(zhì)的流入或放出引起的.

在18世紀(jì)，人們普遍相信守恒原理.人們同樣認(rèn)為，熱質(zhì)在所有熱學(xué)過(guò)程中應(yīng)保持守恒.然而，有許多現(xiàn)象表明，熱質(zhì)是不守恒的.其中最主要的現(xiàn)象是摩擦生熱.人們發(fā)現(xiàn)，摩擦作為熱的源泉，能產(chǎn)生出不可窮盡的熱量來(lái).他們認(rèn)為，任何與外界隔絕的物體或物質(zhì)系統(tǒng)，能夠無(wú)限制地提供出來(lái)的東西，決不可能是具體的物質(zhì).因此，除了把熱看作是物質(zhì)的“運(yùn)動(dòng)”以外，似乎很難把它看作是其他任何東西.［8］

然而，有人通過(guò)對(duì)熱力學(xué)歷史的回顧發(fā)現(xiàn)，如果我們不把熱質(zhì)看作是一種物質(zhì)，而把它看作是一個(gè)物理量，它恰好就是克勞修斯提出的熵這個(gè)物理量；熵和布萊克的“熱量”其實(shí)是一個(gè)物理量的兩個(gè)不同名稱而已；卡諾在創(chuàng)建熱力學(xué)理論時(shí)也運(yùn)用了這個(gè)物理量“熱質(zhì)”（calorique）這一名稱.［14］

原來(lái)，熱質(zhì)說(shuō)的錯(cuò)誤是由于人們把它看成是一個(gè)物理實(shí)在了，而實(shí)際上它是一個(gè)物理量，是一個(gè)廣延量；它與一般的廣延量不同，是一個(gè)半守恒的量：它可以產(chǎn)生，但不能消滅.因此，廣延量不一定是守恒量.

把熱質(zhì)和熵等同為同一個(gè)物理量在教學(xué)上具有很重大的意義.有人還建議，將人們?cè)谌粘Ｉ钪谐Ｓ玫摹盁帷保╤eat）作為熵的同義詞來(lái)使用.［15］這就賦于熵以布萊克的熱量或卡諾的熱質(zhì)所具有的可想象性.“熱”一詞直接意味著它是一個(gè)包含在物體中并能從物體流出或流入的量.因此，即使以前沒(méi)有有關(guān)這方面知識(shí)的人也有可能形成熵的概念，從而形成掌握它的感性知識(shí).所以，在熵的教學(xué)中我們應(yīng)該主要地把精力放在熵作為一種實(shí)物型物理量可以儲(chǔ)存在物體中這一熵的圖像上.

2.5 質(zhì)能轉(zhuǎn)換

如果不作任何解釋，學(xué)生就知道這個(gè)方程的意思是：在這個(gè)核反應(yīng)中，會(huì)釋放出17.60MeV的能量.并且，在教材中也是作這樣的解釋的：“一個(gè)氘核與一個(gè)氚核結(jié)合成一個(gè)氦核時(shí)（同時(shí)放出一個(gè)中子），釋放17.60MeV的能量，……”.由于學(xué)生知道這個(gè)反應(yīng)前后有質(zhì)量虧損，所以，他們自然就得出這樣的結(jié)論：在這個(gè)反應(yīng)中，質(zhì)量轉(zhuǎn)換成了能量.

實(shí)際上，質(zhì)量和能量都是物理量，而不是物理實(shí)在，它們之間不可能存在轉(zhuǎn)換關(guān)系.在上面所介紹的核反應(yīng)中，系統(tǒng)在反應(yīng)前后的靜止質(zhì)量減少了.質(zhì)量虧損所對(duì)應(yīng)的能量表現(xiàn)為反應(yīng)生成物的動(dòng)能.

其實(shí)愛(ài)因斯坦本人也犯過(guò)這樣的錯(cuò)誤：“根據(jù)狹義相對(duì)論，質(zhì)量和能量是同一事物的不同表現(xiàn).這是一般人都不大熟悉的概念.然而，質(zhì)能方程告訴我們，能量等于質(zhì)量與光速平方的乘積，即很小的質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為很大的能量，或反過(guò)來(lái).”［4］

根據(jù)上面的討論，愛(ài)因斯坦應(yīng)該這樣說(shuō)：很小的質(zhì)量對(duì)應(yīng)很大的能量.

3 小結(jié)

在物理教學(xué)中，我們經(jīng)?？梢钥吹綄⑽锢韺?shí)在和物理量混為一談的情況.正如海森堡所說(shuō)：“科學(xué)是由人們創(chuàng)造的，這個(gè)自明的事實(shí)卻常常被忘掉了.”［16］因此，辨別物理實(shí)在和物理量這兩個(gè)概念，其意義不僅在于物理語(yǔ)言的表達(dá)上，還在于物理教學(xué)上.物理概念（包括物理量）和它們之間的關(guān)系（模型和理論）來(lái)自于物理實(shí)在所表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象.因此，一位優(yōu)秀的物理教師應(yīng)該從物理現(xiàn)象開(kāi)始來(lái)展開(kāi)物理教學(xué)，并由此來(lái)引出物理概念、物理量以及物理模型和理論.

4 致謝

本文所表明的一些觀點(diǎn)產(chǎn)生于跟德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)F.Herrmann教授和Michael Pohlig教授，以及華東師范大學(xué)宣桂鑫教授、北京師范大學(xué)董春雨教授的討論中.在此向他們表示衷心的感謝.

1 G.希爾貝克，N.伊耶著.童世駿，郁振華，劉進(jìn)譯.西方哲學(xué)史——從古希臘到二十世紀(jì).上海：上海譯文出版社，2004.78

2 N.David Mermin.Is the moon there when nobody looks？Reality and the quantum theory.Physics Today，April 1985，38.

3 Sheila Tobias.Math anxiety and physics：Some thoughts on learning“difficult”subjects.Physics Today，June 1985，61.

4 F.Herrmann and G.Job.Altlasten der Physik.Aulis Verlag Deubner，2002，15－18，19－20

5 張維善等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3－5.北京：人民教育出版社，2005.35，100

6 保羅·齊策維茨著，仲新元譯.物理：原理與問(wèn)題（第3冊(cè)）.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.208

7 吳知非.原子核物理學(xué).北京：高等教育出版社，1983.104

8 董春雨.物理基本概念的演變.太原：山西教育出版社，1998.135－136，153－161

9 G.Falk，F(xiàn).Herrmann，and G.Bruno Schmd.Energy forms or energy carriers？Am.J.Phys.51（12），December 1983，1074－1077

10 Francis W.Sears，Mark W.Zemansky，and Hugh D.Young.University Physics（Fifth Edition）.Addison－Wesley Publishing Company，1976，20.

11 張維善等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理必修1.北京：人民教育出版社，2010.10.

12 張維善等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3－1.北京：人民教育出版社，2010.6

13 R onald Newburgh.Carnot to Clausius：caloric to entropy.Eur.J.Phys，2009（30）：713－728

14 G.Falk.Entropy，a resurrection of caloric－a look at the history of thermodynamics.Eur.J.Phys.，1985（6）：108－115

15 G.Job.Neudarstellung der W?rmelehre：Die Entropie als W?rme.Akademische Verlagsgesellschaft，F(xiàn)rankfurt am Main，1972.

16 王正行.物理學(xué)中的模型、推廣和簡(jiǎn)化.物理教學(xué)，2012（3）：5