问题

有人说能量守恒定律不对,我该怎么反驳它?

回答
有人跟你说“能量守恒定律不对”? 别急,这可是一个很有趣的话题,也挺好玩的,咱们可以好好聊聊。

首先,得承认,听别人这么说,心里难免会有点嘀咕。毕竟,能量守恒定律在咱们接触到的科学知识里,就像是“真理”一样,听了这么多年。那为什么会有人觉得它“不对”呢? 这背后可能有很多原因,咱们得一层一层剥开来看,才能知道他们到底指的是什么。

一、 别急着反驳,先弄明白对方的意思

最关键的第一步,千万别直接拍脑袋说“你错了!”。 问问他,让他具体说说,为什么觉得能量守恒定律不对。 他的“不对”是指什么?

他是不是误解了? 很多时候,别人说“不对”,是因为他理解得片面或者有误。比如,他可能看到某种现象,觉得能量“消失”了,但实际上只是转化成了另一种不易察觉的形式。
他是不是在说某个特定领域? 能量守恒定律在宏观世界,在经典物理学里,是无比强大的。但如果他是在说量子力学、宇宙学,甚至是一些边缘的理论,那情况就复杂一些了。
他是不是在玩概念游戏? 有些人喜欢玩弄概念,故意钻牛角尖,抛出一个看似颠覆性的说法,但实际上脱离了实际的物理意义。

二、 咱们先来巩固一下“能量守恒定律”到底是个啥

在你反驳之前,自己得对能量守恒定律有个清晰、扎实的理解。 简单来说,它指的是:

在一个封闭的系统里,能量的总量是恒定不变的。 能量不会凭空产生,也不会凭空消失,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个地方转移到另一个地方。
常见的能量形式: 动能(运动的能量)、势能(位置或状态储存的能量)、热能(分子的振动)、化学能(化学键储存的能量)、电能、光能、核能等等。
转化过程: 比如,你把一个球往天上扔,它的动能转化为重力势能;球掉下来的时候,重力势能又转化为动能。点燃一根蜡烛,蜡烛的化学能转化成光能和热能。

三、 面对不同的“挑战”,咱们可以这样“招架”

假设对方的“不对”是出于误解,那咱们可以从这几个方面来解释:

1. “能量会‘消失’?”—— 关注“看不见”的能量:
举例: 摩擦力。当你推一个箱子在地上滑行,箱子最终会停下来。是不是能量“消失”了? 不是!箱子和地面之间的摩擦力,会将一部分动能转化为热能,使箱子和地面都发热。这个热能,我们虽然不一定能直接“看到”,但它确实存在。
再举例: 声音。当物体碰撞,发出声音,这部分声能也是能量的一种形式,它会向四周传播,最终也会被环境吸收,转化为微弱的热能。
反驳点: 很多时候,我们观察到的“能量减少”只是因为它转化成了我们不易察觉的形式,比如热能、声能,或者辐射出去。我们没有找到“丢失”的能量,只是我们没找对地方,或者没算对。

2. “能量转化效率不是100%?”—— 关注“有用”的能量和“无效”的能量:
举例: 发动机。汽车发动机将汽油的化学能转化为汽车前进的动能。但你什么时候见过哪个发动机的效率是100%的? 大部分能量都散失掉了,变成了热量(排气管烫得不得了),还有噪音。
引入“功”和“热”的概念: 在物理学中,我们区分“有用功”和“总能量”。能量守恒定律说的是“总能量”守恒,而不是“有用功”守恒。我们遇到的很多能量损失,实际上是能量转化为了“无效”的功(比如克服空气阻力)或者纯粹的热量,这些能量并没有消失,只是不能再被有效利用来做我们想做的事情。
反驳点: 能量守恒定律讲的是能量的总量,而不是说每次能量转化都能百分之百地变成我们想要的“有用”形式。效率不高,不代表能量消失了。

3. “为什么热机会停止?”—— 引入“热力学第二定律”:
这是个经典误区! 有人觉得,既然能量可以转化,那为什么我们不能把废热再利用起来,让机器永远运转下去? 这就涉及到热力学第二定律了。
热力学第二定律: 简单来说,它说的是在一个孤立系统中,熵(衡量无序度的指标)总是会增加的,或者说,能量总是会向更扩散、更均匀、更无序的状态转化。 这意味着,能量的转化过程中,总会有一部分能量变成不可用的“无效”能量(通常是均匀分布的热能),让系统变得越来越“乱”,最终趋于平衡,也就停止了做功的能力。
反驳点: 能量守恒定律(热力学第一定律)和热力学第二定律是相辅相成的。第一定律告诉我们“能量的总量”,第二定律告诉我们“能量转化的方向”以及“效率”问题。能量守恒并不是说我们可以凭空创造“可用”的能量,或者让能量无限次地循环利用。

4. “万有理论、暗物质、暗能量是怎么回事?”—— 关注“已知”和“未知”:
宇宙的“新发现”: 现在的宇宙学确实提出了暗物质和暗能量的概念,它们占据了宇宙的大部分质量和能量。有人可能会说,既然我们对宇宙的能量组成还不完全了解,那能量守恒定律是不是就不适用了?
解释: 现在的模型,比如宇宙膨胀模型,就是在“考虑”了这些未知成分的基础上,依然遵循着能量守恒的原理。 能量守恒定律,是我们在理解宇宙时,一个最基本、最普适的物理规律。 就算我们发现宇宙有我们不认识的“能量”形式,也意味着这些“新能量”也得遵守守恒。 它们可能只是我们目前无法直接探测到的能量。
反驳点: 科学总是在发展,我们对宇宙的认知也在不断深化。但目前为止,我们所有的理论框架,包括对宇宙的描述,都是建立在能量守恒这个基本原则上的。 发现新的能量形式,恰恰是为了让能量守恒定律在更广泛的范围内适用。

四、 强调科学的态度和方法

科学是不断探索的过程: 强调科学不是僵化的教条,而是不断验证、修正、完善的过程。 能量守恒定律之所以能成为基本定律,就是因为它经过了无数次的实验验证,没有被推翻。
区分“挑战”和“推翻”: 有人提出一些现象,看似挑战了能量守恒,但经过深入研究,往往是找到了新的能量形式,或者修正了对系统的定义,最终还是将这些现象纳入了能量守恒的框架。 真正的“推翻”意味着有实验证据明确地、无可辩驳地证明了能量守恒在某个范围内失效。
避免“阴谋论”: 有时候,这种“能量守恒不对”的说法,会和一些“免费能源”、“永动机”之类的说法联系在一起。 要警惕这些,它们往往是违背基本物理原理的。

最后,给您几句总结的话,你可以这样跟对方沟通:

“你说能量守恒定律不对,我挺感兴趣的。能给我具体说说,你觉得哪里不对吗? 是不是你看到什么现象,觉得能量‘消失’了? 比如,像摩擦力产生热量,声音传播,这些都是能量转化,只是我们不那么容易直接‘看到’。 能量守恒定律厉害的地方就在于,它说的是能量的总量,而且这总量在任何过程里都不会变。 就算我们发现宇宙里有暗物质、暗能量,这也不是说能量守恒错了,而是我们知道了能量还有我们之前不知道的形式。 科学就是这样,一直在探索,一直在把新的发现放到已有的框架里去理解。 如果真有什么实验能证明能量守恒不成立,那绝对是个划时代的发现!不过,目前来看,它还是我们最基本、最可靠的物理定律之一。”

记住,和人讨论问题,尤其是科学问题,平和、理性、尊重对方的态度非常重要。 即使对方的观点可能不那么全面,但通过深入的交流,也许能把问题说清楚,甚至能激发出新的思考。

网友意见

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能量守恒的确有可能不成立——这也是为何我们生存的这个宇宙可以诞生出来。只能说,根据诺特定理(下段解释),在满足时间平移不变性下,能量的确是守恒的。如果时间平移不变形被破坏了,则能量有可能是不守恒的。

下面内容取自维基百科:[1]

诺特定理是理论物理的中心结果之一,它表达了每个连续对称性都有着相应的守恒定律。例如,物理定律不随着时间而改变,这表示它们有关于时间的某种对称性。举例来说,若现实中重力的强度每天都有所改变,就会违反能量守恒定律,因为观察者可以在重力弱的那天把重物举起,然后在重力强的时候放下来,这样就得到了比一开始输入的能量更多的能量。
诺特定理对于所有基于作用量原理的物理定律是成立的。它得名于20世纪初的数学家埃米·诺特。

参考

  1. ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%AF%BA%E7%89%B9%E5%AE%9A%E7%90%86
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@東雲谷樹苗 的解释有瑕疵。

物理上的定律law和原理principle,和数学上的公理axiom类似,不等于数学上的定理theorem。定律和原理都是第一性的,作为一个体系的推导的起点。

树苗把数学定理和物理定律混淆了。

(话说,树苗是东云正树本人么?)

======

至于能量守恒定律本身对不对,在牛顿力学的框架下,当绝对时空观宇宙中所有的相互作用的底层都是保守力时(事实也是如此),那么这就是对的,并且它实际上比牛顿三定律(但因为牛顿三定律对静力学分析底层的绝对重要性,所以也称为定律)更底层,因为通过诺特定理,能量守恒和时间平移对称性相关。

但是在扩展的框架下,能量守恒定律只是一个近似,比如在狭义相对论下需要被质能守恒所取代,而在广义相对论的膨胀宇宙里,就连质能也不守恒了;除此外,还有其他更扩展的框架……

至于能量守恒对不对,取决于你选择的理论框架;高中都是牛顿力学,是那些更精细的理论的近似,能量守恒在牛顿的框架下是对的,在更精细框架就是错的。

不过话说回来,其实我们所有理论大概率都是错的,但物理学家不在乎,他们只在乎自己满足自已的精度范围内而又足够简单的理论。

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@東雲正樹 邀得很好, 下次别邀了.


你有没有想过为啥能量守恒是定律而不是原理?

什么是原理?

经典力学中作用量必取极值与各向同性的平直时空观均为原理.
相对论中惯性系均平权与光速不变都是原理.
量子力学中包括演化遵循 Schrödinger 在内的几条假设其实也都算原理.
有时我们也将原理称为假设, 很少有人去规范这个问题.

什么是物理理论?

就是能近似描述真实世界的一个数学模型.
物理理论构建起了一个简化版的世界, 输出的结果是真实世界给出结果的一个近似.

关于物理与近似详见:

什么是数学模型?

数学模型就是纯粹数学上的概念, 而数学体系都是公理系统.

什么是公理系统?

公理系统就是一款由几条公理作为游戏规则玩出一堆定理的游戏.
有时我们也将公理称为公设, 没看到有人去统一过这个问题.

什么是定理?

公理系统内的定理是由公理系统内的公理通过逻辑推理证明出来的命题[1].
所谓引理就是本身不那么重要的工具人定理.

举个例子:

构建公理系统
系统 内包含 与 两条公理.
逻辑推理环节:

于是得到一条公理系统 内的定理, 即
めでたしめでたし~[2]

成熟的物理理论和公理系统有啥关系?

成熟的物理理论就是公理系统.
成熟的物理理论中的原理或假设即公理系统中的公理或公设.
成熟的物理理论中的定律即公理系统中的定理.

所以定律应该如何证明?

定律的证明指的是结合数条原理通过逻辑推理将定律导出的过程.

原理如何证明?

你能在游戏里证明游戏规则?

Very nice, 现在回到你有没有想过为啥能量守恒是定律而不是原理?

そして答えは: 能量守恒是可以被推导出来的.
能量守恒可以结合时间均匀双向同性与最小作用量原理导出.
换句话说就是, 能量守恒是物理定律不随时间发生改变的直接推论.

能量守恒具体而言怎么推导?

不告诉你, 来自神秘幻想乡的苗爷要保持神秘.

严格推导证明出来的定理有没有可能是错的?

亲, 数学大厦将倾刻倒塌.

能量如何才能不守恒?

首先我们不会考虑去破坏最小作用量原理, 破坏了就··· 就没有任何理论可言了.
所以, 要让能量不守恒, 只需让系统随时间发生合适的变化即可.
比如说, 以地面为参考系的引力场突然会随时间变化了, 那么机械能就可以不守恒了.

不成熟的物理理论是啥情况?

能跑就行.

你朋友说不可能观测到所有能量的流失情况所以能量可能凭空消失, 如何反驳?

  1. 质问他什么是能量.
  2. 如果他试图给出答案.
  3. 你就先耐心听完, 然后说: 错.
  4. 别担心, 他若能答对就不会抛出这么离谱的问题.
  5. 如果他回答不出来, 那就跳过『错』环节.
  6. 你的回合, 请抛出四个大字: 啧, 积分常数罢了.
  7. 无情转身, 退场[3].

为啥有人说苗的说法不准确呢? 那是因为苗眼里的物理是不怎么杂糅历史的干净理论. 在一个框架内, 如果一个命题可以被更底层的命题推导出来, 那这个命题就不应该具有第一性, 无论它的历史地位如何特殊, 在逻辑上它就不应该具有第一性. 物理人最大的毛病就是喜欢把体系搞得不清不楚暧昧不堪, 都快把理学整成文学了. 如果一个可以被推导出来的命题也具有第一性, 那么这个公理系统内就含有赘余的消息, 是臃肿丑陋的.

参考

  1. ^ 什么事命题? 不告诉你.
  2. ^ 这玩意儿作为感受一下的例子还是合格的. 数学人, 别太过分了.
  3. ^ 此时不要回头查看他的表情.

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