王軍禮

牛頓，一個被塵封了三百多年的秘密

王軍禮

眾所周知，牛頓第二定律只適用于宏觀、低速物體的運動，那么為何牛頓第二定律只適用于宏觀低速運動？

關于這一點還得從近代力學的發(fā)展談起，事實上，物質(zhì)的波動性首先是從光的干涉、衍射以及偏振等現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)的，光具有的這些性質(zhì)都是波動性，而在此之前人們認為光是由粒子組成的。后來愛因斯坦繼承了普朗克提出的能量子觀點，并建立了光子理論，但這種光子區(qū)別于牛頓的微粒學說，光子理論成功的解釋了光電效應現(xiàn)象，愛因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。1924年，法國著名物理學家德布羅意提出了一切微觀粒子都具有波動性的設想。時隔兩年，奧地利物理學家薛定諤又在此基礎上提出了微觀粒子的運動滿足波粒二象性，并做了進一步發(fā)揮提出任何物質(zhì)都具有波粒二象性，建立了波動力學。

波動力學發(fā)現(xiàn)，微觀粒子的運動狀態(tài)具有不確定性，這時牛頓經(jīng)典力學顯得無能為力，而需要用波函數(shù)去描述它的運動狀態(tài)。另外，人們在研究黑體輻射、光電效應、原子光譜和原子的穩(wěn)定性等問題時發(fā)現(xiàn)，許多現(xiàn)象和牛頓力學的結(jié)論是矛盾的。因此，牛頓第二定律在微觀世界失效。那么，牛頓第二定律在高速運動狀態(tài)失效又是何故呢？

關于牛頓第二定律被認為不適用于高速運動是由于在高速下物體質(zhì)量出現(xiàn)了相對論效應，物體質(zhì)量成為一個變量。但實際上，被人們認為牛頓第二定律不適用于高速運動是一個歷史的誤會。有趣的是，最初由牛頓本人在其著作《原理》一書中給出的牛頓第二定律形式在高速情況下卻是成立的。牛頓給出的表達式是現(xiàn)如今動量定理的微分形式，牛頓把它表述為：“運動的變化正比于外力，變化的方向沿外力作用的直線方向?！憋@然，這里牛頓所說的“運動”指的是物體的動量，“運動的變化”指的是物體動量的變化率。

在相當長的一段時期內(nèi)，由于物體的運動速度都不太大，與真空中的光速相比完全可以忽略不計，任何實驗都沒有發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量在運動中會發(fā)生變化。因此，人們就隨意地將牛頓第二定律的表達式“簡化為”F=ma，并且一直沿用了下來。那么我們不禁會問，為何牛頓當初沒有在著作《原理》中將其簡化？難道當時他已經(jīng)預見到物體的質(zhì)量會隨著運動速度而變化嗎？如果真是這樣，牛頓是怎樣預見到只能用物體的動量隨時間的變化率來表述物體所受到的力呢？但是這在他的所有著作中都沒有作出任何論述，因此后人也就無法了解甚至無從猜測牛頓當時的真實想法和思維依據(jù)。更為有趣的是，牛頓第二定律在當時是歸納大量的實驗觀測結(jié)果總結(jié)出的，而不能由理論推導出來，而且在當時的所有實驗過程中都從未發(fā)現(xiàn)過物體的質(zhì)量會隨運動速度而變化的跡象，這就使得牛頓當時的思維更加撲朔迷離。

如今，已經(jīng)300多年了，這個謎題始終沒有揭開，撥開歷史的塵埃，讓我們一起去探索科學史的真相。

作者簡介：微科普網(wǎng)站主編、中國科技新聞學會會員、中國科普作家協(xié)會會員、中國科學技術史學會會員。