物理学是劳—功的篇章

作者: 曹则贤

来源: 《物理》

发布日期: 2015-07-04

本文探讨了物理学中的几个核心概念,如功、能量、熵和协同学,这些概念都源自于劳动,体现了劳动在物理学中的重要性。文章通过详细的历史和理论分析,展示了这些概念如何从日常劳动中抽象出来,并成为物理学的基础。

功、能量、熵、遍历性,还有协同学,这些看似不同的概念有着相同的词源和思想渊源。物理学是劳—功的篇章。

劳动创造了人,原句为“Sie (die Arbeit) hat den Menschenselbst geschaffen”,是恩格斯著作《自然辩证法》中的一个命题。人与动物的区别,始于猿之四肢中手与脚的分化。

手因为劳动不断获得更大的灵活性,千百万年的劳动积累使得人类的手得以高度地完善,其发展的每一步都扩展了人类的境界。真正意义上的劳动始于工具制造,实际上,恩格斯的原文中是把手本身也当成工具 (Werkzeug) 的。手不仅是劳动的器官,它还是劳动的产物。劳动还带来了协作的需求,从而产生了语言。语言的出现,又促进了人类智力的发育,后来有了规划劳动的智力之可能,甚至有了今天智力游戏也成了劳动本身的局面。

尤为重要的是,劳动甚至成了人的存在方式,放弃劳动或者失去劳动能力或许会对生命力带去强烈的负面冲击。

既然劳动 (德语 die Arbeit) 对人具有决定性的意义,作为人类智力之塔尖的物理学,怕是不能摆脱来自劳动的影响,不,劳动的概念简直就是物理学恒久的主题。

功,是关于劳动 (部分意义上) 的度量。做功的多少,一个比较容易严格度量的情景是举起重物,因此“重量×高度差”天然地就成了功的单位,其量纲为[公斤·米]或者如今的[牛顿·米]。“重量×高度差”特别适合度量搬煤气罐上楼,从量纲上容易看出它等同于“拉力×距离”,因此可以用来定量化拉板车的辛苦。宋人有诗句“向来枉费推移力”,所谓“推移×力”,那就是“费功夫”的功了。

能量是物理学的核心概念,但它同样也只是一个日常词汇。它和劳作有关,这个词的希腊语为ενέργεια(energeia),其词干为έργον(ergon,work)。厘米—克—秒制下功和能量的单位,erg,就取自έργον一词。

熵是热力学的关键概念。因为很少转述者肯去理解它被抽象出来的过程,这个概念在热力学文献中常给人以一种云里雾里的感觉。在中文语境中,熵简直是“热力学之殇”。

其实,熵概念的抽取同能量守恒定律的抽取一脉相承,都是自一个关于刺激—响应的比例关系引入一个等价量,即克劳修斯所谓的Aequivalenz(英文equivalency),从而将过程表达为守恒定律的形式。此过程的关键,是为刺激—响应,或者原因—结果,各找到一个同量纲的量。量的守恒和量之变化为零这两种表述是等价的。

理解了这一点,就明白了热力学中的所谓“能量守恒”表示 dU=TdS-pdV 和熵概念赖以提出的等式∮δQT= 0,其依据的是同样的哲学,遵循的是同样的数学路径;进一步地我们也就能理解为什么热力学第一定律和第二定律其实是深度耦合的了。∮δQT= 0 意味着存在一个积分不依赖于路径的势函数,即熵,entropy。

协同学也是关于劳—功的一门学科。

所谓的协同学,synergetics,来自希腊语συν+εργον,字面上的意思就是working together,大致可理解为cooperation。笔者最先接触到的协同学是Hermann Haken受激光理论的启发所建立起来的一门交叉科学。Haken把激光原理诠释为非平衡态系统的自组织,并进一步试图解释远离平衡态的热力学开放系统中花样与结构的自组织形成过程。

自组织要求系统包含许多非线性相互作用的子系统,其关键概念是序参数。笔者当年稀里糊涂选择了激光专业,毕业论文就是参考Haken的协同学去模拟有序花样的产生。可惜的是,笔者基础太差,未能理解那本书的内涵,自然也谈不上能做出一篇研究论文。

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