文/王軍禮
作者簡介：微科普網(wǎng)站主編、中國科技新聞學(xué)會會員、中國科普作家協(xié)會會員、中國科學(xué)技術(shù)史學(xué)會會員。
眾所周知，牛頓第二定律只適用于宏觀、低速物體的運動，那么為何牛頓第二定律只適用于宏觀低速運動?
關(guān)于這一點還得從近代力學(xué)的發(fā)展談起，事實上，物質(zhì)的波動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，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。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性的設(shè)想。時隔兩年，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動滿足波粒二象性，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，建立了波動力學(xué)。
波動力學(xué)發(fā)現(xiàn)，微觀粒子的運動狀態(tài)具有不確定性，這時牛頓經(jīng)典力學(xué)顯得無能為力，而需要用波函數(shù)去描述它的運動狀態(tài)。另外，人們在研究黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜和原子的穩(wěn)定性等問題時發(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動狀態(tài)失效又是何故呢?
關(guān)于牛頓第二定律被認(rèn)為不適用于高速運動是由于在高速下物體質(zhì)量出現(xiàn)了相對論效應(yīng)，物體質(zhì)量成為一個變量。但實際上，被人們認(rèn)為牛頓第二定律不適用于高速運動是一個歷史的誤會。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)如今動量定理的微分形式，牛頓把它表述為：“運動的變化正比于外力，變化的方向沿外力作用的直線方向。”顯然，這里牛頓所說的“運動”指的是物體的動量，“運動的變化”指的是物體動量的變化率。
在相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，由于物體的運動速度都不太大，與真空中的光速相比完全可以忽略不計，任何實驗都沒有發(fā)現(xiàn)物體的質(zhì)量在運動中會發(fā)生變化。因此，人們就隨意地將牛頓第二定律的表達(dá)式“簡化為”F=ma，并且一直沿用了下來。那么我們不禁會問，為何牛頓當(dāng)初沒有在著作《原理》中將其簡化?難道當(dāng)時他已經(jīng)預(yù)見到物體的質(zhì)量會隨著運動速度而變化嗎?如果真是這樣，牛頓是怎樣預(yù)見到只能用物體的動量隨時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牛頓當(dāng)時的真實想法和思維依據(jù)。更為有趣的是，牛頓第二定律在當(dāng)時是歸納大量的實驗觀測結(jié)果總結(jié)出的，而不能由理論推導(dǎo)出來，而且在當(dāng)時的所有實驗過程中都從未發(fā)現(xiàn)過物體的質(zhì)量會隨運動速度而變化的跡象，這就使得牛頓當(dāng)時的思維更加撲朔迷離。
如今，已經(jīng)300多年了，這個謎題始終沒有揭開，撥開歷史的塵埃，讓我們一起去探索科學(xué)史的真相。
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責(zé)編：微科普