牛頓，一個(gè)被塵封了三百多年的秘密

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

關(guān)于這一點(diǎn)還得從近代力學(xué)的發(fā)展談起，事實(shí)上，物質(zhì)的波動(dòng)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(dòng)性，而在此之前人們認(rèn)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(diǎn)，并建立了光子理論，但這種光子區(qū)別于牛頓的微粒學(xué)說，光子理論成功的解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象，愛因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1924年，法國著名物理學(xué)家德布羅意提出了一切微觀粒子都具有波動(dòng)性的設(shè)想。時(shí)隔兩年，奧地利物理學(xué)家薛定諤又在此基礎(chǔ)上提出了微觀粒子的運(yùn)動(dòng)滿足波粒二象性，并做了進(jìn)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(dòng)力學(xué)。

波動(dòng)力學(xué)發(fā)現(xiàn)，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有不確定性，這時(shí)牛頓經(jīng)典力學(xué)顯得無能為力，而需要用波函數(shù)去描述它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。另外，人們?cè)谘芯亢隗w輻射、光電效應(yīng)、原子光譜和原子的穩(wěn)定性等問題時(shí)發(fā)現(xiàn)，許多現(xiàn)象和牛頓力學(xué)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)失效又是何故呢？

關(guān)于牛頓第二定律被認(rèn)為不適用于高速運(yùn)動(dòng)是由于在高速下物體質(zhì)量出現(xiàn)了相對(duì)論效應(yīng)，物體質(zhì)量成為一個(gè)變量。但實(shí)際上，被人們認(rèn)為牛頓第二定律不適用于高速運(yùn)動(dòng)是一個(gè)歷史的誤會(huì)。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(dá)式是現(xiàn)如今動(dòng)量定理的微分形式，牛頓把它表述為：“運(yùn)動(dòng)的變化正比于外力，變化的方向沿外力作用的直線方向。”顯然，這里牛頓所說的“運(yùn)動(dòng)”指的是物體的動(dòng)量，“運(yùn)動(dòng)的變化”指的是物體動(dòng)量的變化率。

在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，由于物體的運(yùn)動(dòng)速度都不太大，與真空中的光速相比完全可以忽略不計(jì)，任何實(shí)驗(yàn)都沒有發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量在運(yùn)動(dòng)中會(huì)發(fā)生變化。因此，人們就隨意地將牛頓第二定律的表達(dá)式“簡(jiǎn)化為”F=ma，并且一直沿用了下來。那么我們不禁會(huì)問，為何牛頓當(dāng)初沒有在著作《原理》中將其簡(jiǎn)化？難道當(dāng)時(shí)他已經(jīng)預(yù)見到物體的質(zhì)量會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)速度而變化嗎？如果真是這樣，牛頓是怎樣預(yù)見到只能用物體的動(dòng)量隨時(shí)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(cè)牛頓當(dāng)時(shí)的真實(shí)想法和思維依據(jù)。更為有趣的是，牛頓第二定律在當(dāng)時(shí)是歸納大量的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果總結(jié)出的，而不能由理論推導(dǎo)出來，而且在當(dāng)時(shí)的所有實(shí)驗(yàn)過程中都從未發(fā)現(xiàn)過物體的質(zhì)量會(huì)隨運(yùn)動(dòng)速度而變化的跡象，這就使得牛頓當(dāng)時(shí)的思維更加撲朔迷離。

如今，已經(jīng)300多年了，這個(gè)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(xué)史的真相。（文/王軍禮）

作者簡(jiǎn)介：王軍禮，微科普網(wǎng)站主編、中國科技新聞學(xué)會(huì)會(huì)員、中國科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員、中國科學(xué)技術(shù)史學(xué)會(huì)會(huì)員。

特別聲明：本文節(jié)選自《科學(xué)中國人》雜志2015年第12期，未經(jīng)作者許可，禁止摘編、轉(zhuǎn)載。