各种守恒律

各种守恒律

关于“神话宇宙”就谈到这里。同神话中对宇宙的看法一起出现的，还有一种科学的宇宙观，这同观测和实验（有时还有直觉，不过直觉也要以观测和实验为基础）有密切关系。

现在我们就来讨论这种科学宇宙（本书余下部分全是这样）。科学宇宙也像神话宇宙那样命中注定会完蛋吗？如果是这样，那么怎样完蛋？为什么？什么时候？

古希腊哲学家认为，地球乃一切变化、腐化和衰败之渊薮，而天体却遵循不同的规则，不变化，不腐化，永恒不灭。中世纪基督教则认为，太阳、月亮和恒星临到最后审判日那一天将会一起毁灭，但是在那以前，它们虽然不是永恒的，却至少不变化，不腐化。

到了1543年，当波兰天文学家哥白尼（Nicolas Copernicus，1473—1543）出版了他的那本推理严密的著作以后，情况开始有了变化。在他的那本书中，地球被从它的宇宙中心的至尊地位黜免下来，视作一颗行星，同其他行星一样围绕太阳运转。于是，太阳占据了那显赫的中心位置。

当然，哥白尼的观点并未能被人们立即接受，实际上，它受到粗暴攻击达60年之久。只是望远镜的出现，由意大利科学家伽利略（Galileo，1564—1642）在1609年把它首次用于观察天空，才使得任何反对的意见毫无科学根据，只能是无可救药的诽谤。

例如，伽利略发现木星有4颗始终围绕它旋转的卫星，这就彻底推翻了地球是一切东西都围绕着它旋转的中心的看法。他还发现，同哥白尼预言的一样，金星也像月亮那样显示出周期性的相变化；而早先人们却以为不会有这种现象。

伽利略通过他的望远镜还在月亮上看到了群山、坑穴，以及他认为是海的地貌，这表明月球（推而广之，连同其他行星）也是像地球一样的星球，因此，那里多半也有同样的变化、腐化和衰败的规律在起作用。他在太阳的表面上竟搜索到了黑斑样的黑子。由此看来，这个超然一切的、似乎是一切物质东西中最接近于上帝所赋予的完美品格的天体，原来也并非完美无缺。

为了找到永恒，至少找到属于永恒的那些可以观测到，从而能成为科学宇宙的一部分的属性，人们不得不去研究经验这一比较抽象的层次。如果永恒的东西不是事物本身，那么，它也许是事物之间存在的那些关系。

例如，1668年，英国数学家沃利斯（John Wallis，1616—1703）在研究物体之间的碰撞时产生了这样的见解：在碰撞过程中，运动的某种属性保持不变。

事情简单说来如下：任何运动着的物体都有一个称为“动量”（源出拉丁语，意思是“运动”）的属性，它等于物体的质量（可以粗略地理解为物体中所包含的物质的数量）乘以物体的速度。如果运动是沿着某个特定方向，可以给这个动量附上一个正号；如果沿着相反方向，则附上一个负号。

如果两个物体正在迎头接近，我们只要从一个物体的正动量中减去另一个物体的负动量，就可以确定两者的总动量。当这两个物体发生碰撞以后再反弹开来，在两个物体上的动量分配会发生变化，但它们的总动量将与碰撞前一样。如果两个物体碰撞后粘合在一起，这结合成的新物体将具有同原来任何一个物体都不同的新的质量和新的速度，但是总动量仍然不变。即使两个物体不是迎头作正碰撞，而是以一定角度作斜碰撞，并且反弹分离时改变了运动方向，总动量也仍然不变。

从沃利斯的实验以及后来别人做的许多实验，科学家们终于搞清楚，在任何“封闭系统”（无动量从外界进入亦无动量从中消失而进入外界的系统）中，总动量总是保持不变。系统内部在各运动物体上的动量分布尽管有无数种方式可供选择，但总动量总是一样。因此动量是“守恒的”，也就是说，它既不会增加，也不会减少。这条原理就叫做“动量守恒定律”。

因为只有整个宇宙才是绝对封闭系统，所以对动量守恒定律的最普遍的表述应该是：“宇宙的总动量恒定不变。”这实质上就是宇宙的总动量永远不会改变。不论宇宙已发生过什么变化，还是以后还会发生什么变化，它的总动量绝不变化。

我们能确信如此吗？只根据不多几个世纪里科学家们在实验室条件下获得的不多的观测结果，我们怎么就能断定动量在100万年以后或者100万年以前是守恒的呢？我们又怎么能断定今天在100万光年以外的另一个星系中，或者虽在近处但是像太阳中心那样极端不同的条件下，动量也是守恒的呢？

我们不敢断定。我们只能说，我们在任何条件下还从未发现过有对这条守恒定律的背离；我们也未找到任何迹象表明曾经发生过这种背离。此外，我们根据这条定律成立的假定导出的一切结论看来都有道理，而且同观测完全一致。因此，科学家们觉得自己有充分的权利去假定（在出现相反的证据以前，总可以这样做），动量守恒是一条在全部空间和时间以及在一切条件下都普遍成立的“自然定律”。

科学家们发现有好些守恒定律，动量守恒不过是其中之一。例如，我们可以谈论“角动量”，这是绕一根转轴作转动或者围绕别处另一个物体旋转的物体所具有的一种性质。在无论哪种场合，我们都可以根据该物体的质量、它的转速和它的各个部分到围绕其转动的轴线或中心的平均距离计算出角动量来。结果表明，存在着一条角动量守恒定律。宇宙的总角动量始终保持恒定不变。

更有意思的是，这两种类型的动量彼此是独立的，不能相互转化。你无法把角动量转变为普通动量（为了区分起见，后者有时称为“线动量”），也无法把普通动量转变为角动量。

1774年，法国化学家拉瓦锡（Antoine-Laurent Lavoisier，1743—1794）做过一系列实验，揭示出质量是守恒的。在一个封闭系统中，某些物体有可能失去质量，而另一些物体有可能获得质量，但是该系统的总质量维持不变。

随着时间的推移，科学界里还渐渐产生了“能量”的概念。能量是物体的一种能做功的性质。（能量这个词本身就出自希腊语的一个词组，原意是“包含有功”。）首先在能量的现代意义下使用这个术语的人是英国物理学家杨（Thomas Young，1773—1829），那是在1807年。有许多不同的现象都具有做功的能力，如热、运动、光、声、电、磁、化学变化，等等，它们后来全都认为是能量的不同形式。

接着，人们又逐渐形成了这样的观点：一种形式的能量可以转化为另一种形式的能量；某些物体有可能失去某一种形式的能量，另一些物体有可能获得某一种形式的能量，但是在任何一个封闭系统中，所有形式的总能量保持不变。当然，首先想到这一点的人绝不是德国物理学家亥姆霍兹（Hermann L.F.von Helmholtz，1821—1894），但是，确实是他在1847年做了大量说服工作，才使科学界普遍承认了这种看法。因此，人们通常把他视作发现能量守恒定律的人。

1905年，德国出生的瑞士物理学家爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）令人信服地指出，质量是能量的又一种形式，而且，一定数量的质量可以转化为确定数量的能量，反之亦然。

由于这个缘故，质量守恒定律不再是单独一条守恒定律了。今天只要说到能量守恒定律，我们必须理解为质量作为能量的一种形式已经被包括在内。

当1911年英国物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）确定了原子的结构以后，科学家们接着就发现存在着一些亚原子粒子，它们不仅遵循动量、角动量和能量三条守恒定律，而且还遵循电荷、重子数和同位旋等守恒定律以及其他几条类似的规则。

各种各样的守恒定律的确是宇宙的全部碎片在玩游戏时必须遵守的一些基本规则。就我们所知，这些定律全都是普遍成立的，而且是永恒的。倘若人们发现其中有某一条定律失效，那么，这只是表明，它不过是一条更普遍的定律的一部分而已。例如，后来人们知道质量守恒定律并不成立，原来，它不过是把质量包括在内的一条更普遍的能量守恒定律的一部分。

现在，我们已经知道了宇宙有一个方面似乎是永恒的，既无开端也无终结。宇宙现在所包含的能量将总是严格保持现在所具有的数量不再改变，而且过去也一直是严格保持现在所具有的数量未曾改变过。宇宙的这一部分或那一部分也许会损失或者得到这些守恒性质中的某一种性质而出现种种局部变化，或者，有某一种性质也许会改变其形式，但是，任何一种守恒性质的总数量，无论过去、现在还是将来，都始终不会发生变化。