书城教材教辅中学理科课程资源-探寻物理起源
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第2章 力

一、力的概念的初步形成

从远古时代开始,人们就广泛而有效地利用各种原动力,并发明使用了各种简单机械,而且在此基础上逐步产生和积累了许多与力学相关的经验知识,初步形成与发展了力的概念。

1.我国古人对力的概念的认识

我国古代人们在推、提、拉、抛时,肌肉活动感到紧张,就认为肌肉对其他物体产生了力的作用,这就是他们对力的概念的认识。活跃与我国春秋战国时期的墨家就是通过观察人们通过肌肉的动作使物体发生形变或者位置的移动,从而概括出力的初步概念。墨家最早指出:“力,刑之所以奋也。”这里的“刑”是“形”的通假字,意指人体、物体,“奋”字在古籍中有多种意思,诸如物体由静到动、运动越来越快,或者由下上升等,都可以用“奋”字表示。因此,墨家的这句的意思就是:力是使物体由静而动、运动越来越快、由下而上的原因。用一句话说就是力是使物体的运动状态发生变化的原因。这种对力的定义是很正确的。在《墨经》中一篇名为《说》的文章里还进一步指出:“力,重之谓,下、举,重奋也。”意思就是说物体的重量也就是一种力的表现,物体下坠、上举,都是基于重力作用的运动。

如前所述,墨家把力定义为物体运动的原因联系起来,对力可以改变物体的运动状态的观点有初步认识。由于力是不可见的,而物体的重力是人人都能感觉到的,因此他们又把力与重联系起来,把重看作一种力。可以说,这些对力的理性认识在人类史上都是最早的。当然,墨家关于力的概念严重受限于当时的历史条件和认识水平,并不那么确切德表达出来,尽管如此,远在二千多年前,我国人们就能对力的概念认识到如此水平,可以说达到了当时人类认识自然的高峰。

我国东汉时期的王充在《论衡》一书中对力的作用的问题进行了探讨。他从实际观察中逐步认识到物体的内力不能使物体自身发生运动状态的变化。他指出:“力重不能自称,须人乃举”,意思是(物体的)重力不能自己称量,必须接住人(外力)才能将它举起来;他还指出“古之多力者,身能负荷千钧,手能决角伸钩,使之自举不能离地。”意思就是说,即便是能够举起千钧之重、用手能使钢筋之类弯曲或伸直的大力士,业不能把自己举起来。王充的举例进一步说明了力是使物体能够从静止运动起来的原因,没有外力物体不会改变原本静止的状态。这是继墨家之后,我国人们对力的概念的进一步加深认识。

2.西方古人对力的概念的认识

在西方世界,古希腊的亚里士多德是最早探讨力的概念的科学家之一,但是由于他的结论大多是来自猜想和推测的结果,所以往往导致一些结论不正确。亚里士多德认为,自然万物都是由火、气、水、土四种元素组成的,在不受外界其他因素干扰的自然状态下,火与气作直线上升运动,而水和土作直线下落运动。为了解释这种现象,他生硬地把自然界中的运动分成两类,一类是自然运动;另一类是非自然运动(又称受迫运动)。自然运动就是物体趋向其自然位置的运动,这符合物体的本性,自然运动是不需要作用力的推动。非自然运动就是指物体向非自然位置的移动或者离开自然位置的运动,这不符合物体的本性,所以称之为受迫运动。他认为受迫运动不能够由物体本身自发地产生,而是需要作用力来推动。他还认为,各种物体的自然运动取决于它包含的元素成分和所处的位置,而作用力是产生非自然运动的原因,它的本性就是抵抗与克服物体趋向其自然位置。这样一来,亚里士多德就把非自然运动的根源放在了事物之外,并把外作用力的作用与物体的运动速度直接联系起来。

亚里士多德还特别研究了自由下落运动这一种自然运动。他明确指出,重量是使物体下落的原因,并想当然地得出了一个结论:物体下落速度同它的重量(所受到的外力)成正比。因此可以说,亚里士多德所提出的有关力的概念,都认为力是维持物体运动(速度)的原因,力与速度有着直接的联系。

亚里士多德得出这一结论,当然同观察和实验有一定联系,但是他对经验材料的概括很显然缺乏严格的科学性,而且他在解释一些经验现象时,又提出了一些不依赖于经验,又未受经验检验的假设,因而他的理论不是科学的理论,带有很强的思辨性质,其结论自然往往是不正确的。然而,由于亚里士多德的威望和影响,他的有关力的一些错误结论在他之后近两千年的欧洲世界一直被奉为真理,严重阻碍了物理学的发展。当然,这并非是说这是亚里士多德本人的错。

3.力的科学概念的初步建立

17世纪,意大利物理学家伽利略最先提出了力的科学概念。伽利略在研究了亚里士多德和先辈们的著作之后认为,不能认为地把运动分为自然运动和非自然运动,这样的研究和分类会把力与运动的研究引入绝境。他认为,应该根据运动的基本特征量——速度来进行分类。为此,经过大量观察与实验,他提出了新的分类方法,将运动分为匀速运动和变速运动,使得运动理论的研究取得了重大进展。伽利略先给匀速运动下了定义,接着又着手研究变速运动。他在研究一种典型的变速运动——自由落体运动中首次提出了一个对运动研究十分重要的概念——加速度,并用速度的增量△v与加速用去的时间△t之比来定义加速度。在此基础之上,伽利略进一步把力与物体所获得的加速度联系在一起,认为力是使物体产生加速度的原因。这个观点纠正了两千多年来亚里士多德的力是维持物体运动速度的错误观点,初步形成了力的科学概念,大大促进了人类对力的概念的认识向正确的方向发展。

二、力的科学概念的建立

17世纪,英国物理学家牛顿继承和发展了伽利略对力的科学概念的认识,他最先给出了力的严禁而科学的定义。他在其巨著《自然哲学之数学原理》中写道“力:外加力是加于物体上的一种作用,以改变其运动状态,而不论这种状态是静止的还是匀速直线运动状态。”牛顿又指出,外作用力只会存在于作用的过程中,一旦相互作用消失,它就不复存在。仅仅由于惯性,一个物体就可以保持它所获得的新的运动状态(包括静止)。牛顿有关力的定义和力学中力的现代定义几乎相吻合,只是现在我们通常不说作用力使物体改变了它的运动状态,而一般说力使物体获得了加速度。

牛顿在此基础上进一步总结出了有关力的三定律。

牛顿第一定律揭示出,任何物体都具有保持其原来运动状态的特性,就是说任何物体都具有惯性。当物体不受外力时,它将保持原有的静止或匀速直线运动状态不变。物体的运动不需要力来维持,这就纠正了亚里士多德的关于必须有外力的作用于物体运动才得以维持的观点。牛顿第一定律从另一个角度表明了必须在物体上施加一个力,才能使它改变其原有的运动状态,力只与运动状态的改变直接联系着。

牛顿在牛顿第二定律指出:“运动的变化与外加推动力成正比,并发生在该力的方向上。”以定律的形式把力与运动的改变联系起来,进一步解释了力不是维持运动的原因,而是改变运动、产生加速度的原因。

牛顿在第三定律中则解决了自然界中作用力的性质问题,他指出自然界存在的作用力总是成对出现的,并且具有对称性。

通过牛顿三定律,力的科学概念被确立下来。在此基础上,牛顿进一步研究了一种力——万有引力,并总结出了万有引力定律。通过该定律,人们可以定量计算出万有引力的大小。万有引力定律的发现使人们进一步促进了对力的科学概念的认识。

三、力的科学概念的发展

在牛顿所处的时代,人们对力的认识局限于相互接触的物体之间的各种常见的力,例如摩擦力、弹性力、绳的张力、压力、粘滞力等,此外,就仅仅对万有引力有一些初步的认识。我们还应该看到,一方面物体间的相互作用是多样的,并不一定是“力”的作用,还有许多其他类型的相互作用。那些非“力”作用的结果一般来说并不能够导致物体运动状态的改变,而是使这些物体内部发生某种变化。例如,物体间的热相互作用,两个温度不同的物体相互接触时通过热传递最终达到热平衡的现象。因此,只有当力仅仅使物体的速度发生相应变化时,力才是量度物体之间相互作用的量。在另一方面,当用力来描述物体间的相互作用时,我们可以不注意这个作用本身的物理特性。对于一个研究机械运动的观察者来说,他并不需要关心物体是如何获得加速度的。不管是接触相互作用,还是电相互作用、磁相互作用等,对于观察者来说,这些作用结果都是一样的,即那些作用力使得物体产生了加速度。只要使得物体获得的加速度相同,那么不管那些相互作用的性质如何,从力学的角度分析,这些力是完全等同的。牛顿也强调了这一情况,他认为,力的起因可以是各式各样的,他所要讨论的不是物理的力,而是数学的力,也就是说,他并没有涉及到力的来源与性质的问题。

随着物理学的逐步发展,人们也在不断地加深与扩展对力的概念的认识。在人们对电与磁认识的发展过程中,科学家们发现了电荷之间的静电力,磁场对运动电荷的洛仑兹力。随着对力的认识的增多,力的分类方法也多种多样,按照力对任何一闭合路径作功是否恒等于零,力又可分为保守力和非保守力两种。力还可按接触力和非接触力来划分。随着人们对电磁现象的深入研究,人们认识到非接触力的传递也是需要时间的,而且需要通过“场”来进行。除电磁力、万有引力之外,今天人们又在研究原子核的结构中发现中子、质子等之间的相互作用力——强力,以及在基本粒子之间普遍存在的弱力。这些都极大丰富了人类对力的科学概念的认识。

四、力的分解与合成法则的发现

人们在不断生活实践中发现,力有大小和方向,是一个矢量,而且力对物体的效应还与其作用点的位置有关,因此确定一个力有三个要素,它们分别是力的大小、方向和作用点。但在实际生活生产中,人们常遇到这样的问题,一个物体同时受到几个力的共同作用。为了方便地分析受力情况并解决问题,常常需要将几个力用一个和它们等效的力来表示,这个等效的力叫做那几个力的合力,求解几个力的合力的过程叫做力的合成。另一方面,作用在某个物体上的一个力往往可以同时产生多个方面的效果,如果某几个力产生的效果跟原来一个力产生的效果相同,那我们可以将这几个力就叫做原来那个力的分力,求解一个已知力的分力的过程叫做力的分解。因为力是一个矢量,它的合成与分解遵从矢量合成与分解法则。

人们对力的合成与分解的认识是在不断实践中逐步积累起来的。1587年,荷兰物理学家斯台文在他出版的《静力学原理》中首次阐述了力的合成法则。

1687年,牛顿在他出版《原理》一书中明确提出了力的分解与合成原理,清楚地表述了力的三角形(或平行四边形)法则。

五、力的基本类型与统一理论

到目前为止,现代物理学的研究表明,自然界中存在四种基本类型的力:

(1)万有引力(引力相互作用):在宇宙万物之间普遍存在的相互吸引力,它遵从牛顿发现的万有引力定律。爱因斯坦将引力相互作用的传递者称为“引力子”,但现在人们依旧们有找到引力子,它是否存在目前还是一个科学之谜。

(2)电磁力(电磁相互作用):电磁力是存在于静止电荷之间的电力和存在于运动电荷之间的磁力的合称,电力遵从库仑定律,磁力遵从洛仑兹力公式。弹性力、张力、正压力、摩擦力等都是微观粒子之间电磁力的宏观表现。电磁力是通过电磁场传递的,光子是电磁相互作用的传递者,它的自旋是1,服从波色-爱因斯坦统计。

(3)强力(强相互作用):强力存在于质子、中子、介子和超子等基本粒子之间,具有力程短(约10-15m),强度大(比库仑力还大102倍)的特点。核力就是核子之间的强相互作用,在汤川理论中,π介子是强相互作用的传递者。

(4)弱力(弱相互作用):弱力主要存在于中子、质子、电子、中微子之间,与强力比较,它的力程更短,强度很弱(约为强相互作用的10-13)。β衰变放出电子(或正电子)和中微子就是弱相互作用的结果。中间矢量波色子W+、W-、Z0是弱相互作用的传递者。强力、弱力及相对论力学中的力都是力的概念的进一步推广。

在对基本粒子从产生到消失的各种转化现象研究中,人们得出了四种相互作用力,即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用,它们都是随着距离的增加而减弱引力和电磁力是长程力,人们早已从宏观的物理现象中认识到了;弱力和强力则是短程力,只存在于微观世界,是基本粒子世界所特有的相互作用,人们知道近代才有所了解。虽然这四种相互作用在数量级上有很大的差别,但是它们都是在粒子世界发生作用。

从理论角度出发,人们总是企图建立一些综合性理论,以便于从更深刻的角度把粒子之间的各种相互作用统一起来。从物理学的发展历史来看,天体引力和地球引力二者已经被牛顿把统一了起来;电力和磁力已经被麦克斯韦统一了起来,这些理论给了后人很大的启发。德国数学家魏尔(1885-1955)和爱因斯坦最早进行了企图把电磁场和引力场统一起来的研究工作。1958年,海森伯提出了企图将所有基本粒子场都统一起来的理论。1961年,美国物理学家格拉肖在量子规范理论的基础上首先对弱相互作用和电磁相互作用统一提出了猜想。1967年和1968年,美国物理学家温伯格与巴基斯坦物理学家萨拉姆各自独立地提出了将弱相互作用和电磁相互作用统一起来的具体方案,他们的理论的正确性最终在1973年和1978年的实验中被初步证明。由于格拉肖、温伯格和萨拉姆在这个领域的杰出贡献,它们一起被授予1979年诺贝尔物理学奖金。

在弱相互作用和电磁相互作用统一理论的成功的激励下,人们开始试探着把弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用三者统一起来,这种理论就是大统一理论。现今物理家们已提出了许多种大统一模型,都有待于实验的进一步验证。探索把目前已知的四种相互作用都统一起来的理论被称为超大统一理论,虽已提出了多种模型,但是还没有一种模型得到判定性的支持。大统一理论是现代物理学的一个发展方向,现在才刚刚起步,还有待于许多科学家的努力探索。