问题

为什么总有人不相信能量守恒定律?

回答
能量守恒定律,作为物理学最基本、最普适的定律之一,它所阐述的“在一个孤立的系统中,能量的总量是保持不变的,能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,只能从一种形式转化为另一种形式”这一概念,似乎是如此清晰且无可辩驳。然而,在现实生活中,我们却常常能听到有人对它提出质疑,甚至完全否定。这背后并非简单的无知,而是源于多种复杂的心理、认知和社会因素的交织。

首先,最直接也最常见的原因,在于人类感官的局限性和日常经验的误导。我们的大脑在理解世界时,很大程度上依赖于直接的观察和经验。在我们的日常生活中,能量的转化并非总是清晰可见。我们看到水壶中的水烧开,知道是电能转化为了热能,但我们看不到电子在导线中的流动,也无法直观地感知到电能本身的“存在”。我们看到汽车飞驰,知道是燃油的化学能转化为了动能,但燃料燃烧后产生的废气和热量,如果没有仔细去观察,很容易被忽略。这种“看不见”的能量形式,比如声能、内能、辐射能等等,它们在转化过程中悄无声息地散失到环境中,使得我们直观地感觉到“能量好像消失了”。

更进一步,许多所谓的“永动机”或“自由能源”的宣传,更是直接挑战了能量守恒定律。这些发明者往往声称自己找到了能够不断输出能量而不消耗任何外部能源的装置。他们精心设计的骗局,利用了人们对财富和突破性科学的渴望,通过演示一些巧妙的机械装置,在短期内制造出能量“凭空产生”的假象。当有人质疑时,他们便会搬出“未知的能量”或者“新的物理原理”等说辞来搪塞。这种误导性的信息,尤其是通过互联网等渠道的广泛传播,使得许多对物理学了解不深的人,尤其是那些容易相信“捷径”和“秘密”的人,对能量守恒定律产生了怀疑。

心理学上的“确认偏误”也扮演着重要角色。一旦有人对某个科学定律产生了怀疑,他们往往会更加倾向于搜集那些支持自己观点的证据,而忽略或贬低那些相反的证据。当他们偶然看到一个“永动机”的演示视频,或者听到有人宣称能量守恒定律被推翻,他们的大脑会更愿意去相信这些信息,因为它符合他们已经形成的怀疑态度。这种偏误使得质疑者更难被科学事实所说服,因为他们已经主动屏蔽了那些反驳的声音。

另外,对于能量守恒定律的误解也屡见不鲜。有些人可能错误地理解了“孤立系统”这个概念。他们可能会认为,既然能量守恒,为什么我们周围的世界不是一个封闭的、能量恒定的地方?他们会看到事物的衰败、事物的消失,并将之理解为能量的“不守恒”。例如,一座建筑物的风化,一堆木柴的燃烧殆尽,都会让人产生能量消失的错觉,而没有意识到这些过程中能量是以何种形式存在的,或者说,能量是如何转化为更难以捕捉的形式(如热量、气体)并散逸到广阔的宇宙中的。

科学的进步,尤其是在量子力学和宇宙学领域,确实为我们认识能量提供了更深的维度。一些人可能会抓住某些前沿科学概念中可能存在的模糊之处,例如量子真空涨落,认为这可以解释能量的“凭空产生”。但事实上,量子真空涨落并非“凭空产生”能量,而是指真空本身并非绝对的“空无”,而是存在着粒子反粒子对的短暂出现和湮灭,这本身是在一个更大的、受能量守恒定律约束的系统框架内进行的。这些更复杂、更抽象的理论,如果缺乏深入的理解,很容易被断章取义,用来支持错误的结论。

最后,对权威的天然抵触心理,以及对“反常识”的追求,也使得一部分人热衷于挑战既定科学。他们可能认为,科学的进步就是不断推翻过去的理论,所以那些被奉为圭臬的定律,也一定存在被超越的可能。这种心态,在某些情况下可以激发批判性思维,但在缺乏足够知识基础时,也可能导向对基本真理的盲目否定。

总而言之,人们对能量守恒定律的质疑,并非源于定律本身存在漏洞,而是由于我们有限的感知能力、日常经验的误导、虚假信息的传播、心理因素的干扰,以及对科学概念的误解和片面解读。这是一个复杂的人类认知和信息传播的现象,反映了在科学普及的道路上,如何将深奥的科学原理,以清晰、准确且易于理解的方式传达给大众,仍然是一个需要持续努力的课题。

网友意见

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我对能量的认识大概经历了四个阶段。

第一个阶段是听说了能量这个概念,这大概是在我小学时期。那时我知道炸弹爆炸有能量,太阳光照身上有能量,汽车在街上跑也需要能量。总之当时对能量的理解是,这是个真实存在的东西,有了它车子飞机轮船就能动起来,但是这个东西聚集多了会很热,如果一个动物身上聚集了很多能量它有可能会热死也有可能变异成哥斯拉。

第二个阶段是中学时期。这时我系统学习了能量的知识,知道了能量有很多种形式:动能、势能、热能、光能、化学能、电磁场的能量还有相对论中的E=mc²等等,并学会了怎么计算一些简单的能量。同时我也学习到了能量守恒的概念,知道了能量不能凭空产生凭空消失,只能从一种形式转化成另一种形式,从书上看到的人类长久以来的实践结果让我知道这个定律是可信的。这时的我对能量的理解是,这还是个真实存在的东西,它有很多种形式,可以互相转化,但全宇宙中这个东西的总数是固定的。同时,我也开始有了一些想不通的问题,比如E=mc²这个公式,在核反应中明明反应前后物质的数量没有变化,那质量是怎么变成能量的?这让我思考了很久。

第三个阶段是大二系统学习了分析力学和狭义相对论以后。这时的我对能量的认识发生了根本性的变化。我知道了能量不是个真实存在的东西,它是人们定义出来的,本质上只是时间平移对称性所导出的守恒量罢了。它和动量、角动量之类的由别的时空对称性导出的守恒量没什么本质区别。还知道了各种形式的能量本质上都是系统的静能、动能和势能而已。同时我也认识到质量也是人们定义出的东西,核反应中不是质量变成了能量,而是复合系统作为一个整体时的一部分静能变成了反应产物的动能。总之,这时的我觉得自己已经完全理解什么叫能量什么叫能量守恒了,只要我们的世界有时间平移对称性,能量这个定义出的物理量就是守恒的,就这么简单嘛。

第四个阶段是去年学了广相之后,我发现能量没我想象的那么简单。首先是广相中时空是可以弯曲的,所以没有时间平移对称性,因此没法讨论能量守恒,而且对于引力场目前根本没法定义出一个定域的能量。此外,现代宇宙学告诉我们在宇宙创生的暴胀时期,它是真空主导的,一个真空主导的宇宙中的物质具有不变的能量密度,但宇宙的尺度却是在指数膨胀的,这意味着总的物质能量也在指数增多!而且,我们知道现在的宇宙在加速膨胀,这可能也是一个真空主导的过程,由此人们引入了暗能量。至此可以看到能量以及能量守恒不是那么简单的事情,它的背后还有许多未解之谜。

回到这个问题本身,为什么有人不相信能量守恒?他可能处于第一阶段,也可能处于第四个甚至更高的阶段。

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他们也有可能生活在高维空间

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来水一个回答(也算复习一下理论力学orz

我们来看一下能量这玩意是啥:

先讨论保守系统

首先我们定义一个系统的Lagrangian: ,其中 是系统的动能, 是系统的势能

容易知道,

由最小作用量原理 可以导出著名的欧拉-拉格朗日方程(推导由读者自行完成):

引入Hamiltonian:

现在我们来观察这个Hamiltonian到底是个啥玩意,为此我们拆开 :

而我们知道一个系统的势能应该和广义速度无关,即 ,则

接下来分两种情况讨论

1)如果约束是稳定的,即 的二次型:

先证明一个著名的定理——齐次函数的欧拉定理

这个定理是说:若函数 是m次齐次函数,则 ,证明如下

考虑

由齐次条件有 ,代入可以得到

,令 ,即有

,证毕

回到我们讨论的问题,因为动能是广义速度的二次型,则由齐次函数的欧拉定理

,则我们之前的Hamiltonian就等于

我们来看一个特殊的情况,我们的Lagrangian不显含时间,即系统具有时间平移对称性,此时

对于我们的Hamiltonian有

注意到拉格朗日方程 ,因此上式为零,所以

我们惊人地发现这玩意守恒!于是定义它为“能量”,作为一个由时间平移对称性导出的守恒量,在稳定约束的条件下,它就是我们所说的“机械能

所以能量只是一个由对称性导出的守恒量而已,顺便一提,动量,角动量等也是如此

2)如果约束是不稳定的

考虑到我们在推导 的时候并没有运用约束是否是稳定约束这个条件,于是这玩意依然守恒,只是它不等于 了

那它是啥呢?我们考虑把 分成三项,分别是 ,分别表示动能关于广义速度的二次项,一次项,常数项,分别利用齐次函数的欧拉定理

这个量是守恒的,这个操作我们称之为“广义能量积分”,这里的 可以看成是非惯性力造成的能量

作为一个简单的例子,我们考虑有心运动,则非惯性力对应一个能量 , 是系统的角动量,由于角动量守恒,此能量与广义速度无关,这个能量对应了 ,因此如果把它拉入势能项里(然后把 称为所谓的有效势能)能量就守恒了

tips:从上面可以看出,写拉格朗日量的时候,直接把“有效势能”当成势能项是错误的(差一个负号),应该将非惯性力对应的能量的负值写入势能项,或者将这个能量写入动能中(这个本人深有感触emmmm)

于是我们讨论完了保守系统的情况……

非保守系统

后面填坑。。。。。。(下次一定.jpg)


由上面的讨论我们可以知道,能量只是人为定义出来的一个守恒量而已,所以它最重要的一个特点就是守恒,如果你某一天发现它不守恒了,那我们处理的办法一般是引入其它的量,把它们称为能量,然后能量又守恒了

因此,那些不相信能量守恒定律的人可能是觉得这个宇宙里有某些规律不满足时间平移对称性,以至于我们找不到这样一个“守恒量”(或者觉得某些场合最小作用量原理不成立?)

至于这样的情况有没有呢,其实是有的,例如一位答主所说的,广义相对论中时空会弯曲,因此没有时间平移对称性,没法定义“能量”

所以也许是这些人已经到达了这样或者更高的境界了吧(逃


啊这,卑微答主又整理了一下这个回答,再写了一篇文章(这个回答有些bug。。。)链接放在这里,各位可以移步(并希望不吝赐教 逃)

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