能量, 动量, 动量矩三守恒定律的比较研究 比较物理学系列论文之二 付昱华 ( 中海油研究总院,E-mail:fuyh1945@sina.com) 摘要 : 作为比较物理学系列论文之二, 讨论在传统观点中, 能量守恒定律, 动量守恒定律, 动量矩守恒定律三个守恒定律的相同点 : 它们在一起构成现代物理学中的三大基本守恒定律 ; 它们都在物理学领域获得广泛应用 不同点 : 能量守恒定律由时间平移不变性推出, 动量守恒定律由空间平移不变性推出, 而角动量守恒定律则由空间旋转对称性推出 ; 在整个自然科学领域, 能量守恒定律是最重要而且应用最广泛的定律, 而其它两个定律则没有如此的重要性和广泛性 应用比较的方法, 重新讨论上述传统观点 根据真理的唯一性原则, 应将能量守恒定律视为唯一的真理, 并建立能量守恒科学 ; 据此, 在整个物理学范围内, 动量守恒定律和动量矩守恒定律并不是永远正确的, 亦即这两个守恒定律仅在一定条件下适用 ( 例如, 可以给出考虑摩擦等效应时这两个守恒定律不成立的实例 ), 因此不能作为物理学中的基本守恒定律 ; 更有甚者, 在没有外力作用的情况下, 动量也可能不守恒 ; 在没有外力矩作用的情况下, 动量矩也可能不守恒 最后讨论动量守恒定律和动量矩守恒定律的改进 关键词 : 比较物理学, 比较研究, 能量守恒定律, 动量守恒定律, 动量矩守恒定律, 能量守恒科学 Comparative Studies of Laws of Conservation of Energy, Momentum and Angular Momentum No.2 of Comparative Physics Series Papers Fu Yuhua (CNOOC Research Institute, E-mail:fuyh1945@sina.com) Abstract: As No.2 of comparative physics series papers, this paper discusses the same and different points of law of conservation of energy, law of conservation of momentum, and law of conservation of angular momentum in the traditional viewpoints. The same points: they belong to the three fundamental conservation laws in modern physics; and they are all widely used in physics. The different points: the law of conservation of energy is derived by the time translation-invariant, the law of conservation of momentum is derived by the space translation-invariant, and the law of conservation of angular momentum is derived by the space rotation-invariant; and in the fields of natural sciences, the law of conservation of energy is the most important and the most widely used law, while the other two laws are not so important and far-reaching. With the comparative method, the above traditional viewpoints are re-discussed. According to the principle of uniqueness of truth, the law of conservation of energy should be considered as the unique truth, and establish the science of conservation of energy; accordingly, within the whole physics range, the law of conservation of momentum and the law of conservation of angular momentum are not forever right, namely these two laws are correct only in some conditions (for instance, we can give the examples that these two laws are not correct as
considering the actions of the friction and the like), therefore these two laws cannot be taken as the fundamental conservation laws in the field of physics; furthermore, in the case of no external force, the law of conservation of momentum may not correct, and in the case of no external moment, the law of conservation of angular momentum may not correct too. Finally, the improvements of the laws of conservation of momentum and angular momentum are discussed. Key words: Comparative physics, comparative study, law of conservation of energy, law of conservation of momentum, law of conservation of angular momentum, science of conservation of energy 前言在参考文献 [1] 中提出比较物理学的概念 作为比较物理学系列论文之二, 本文讨论能量守恒定律, 动量守恒定律, 动量矩守恒定律三个守恒定律的比较研究 ; 并且重新考虑这三个守恒定律的的适用范围, 以及建立跨学科的能量守恒科学等问题 1 在传统观点中, 三个守恒定律的相同点第一个相同点 : 它们在一起构成现代物理学中的三大基本守恒定律 但是, 这只是传统的观点 下面我们将讨论 : 三大基本守恒定律中只应保留一个基本守恒定律 第二个相同点 : 它们都在物理学领域获得广泛应用 而且, 在许多情况下它们是同时使用的 例如, 在确定 α 粒子散射轨道时, 同时应用了能量守恒定律和动量矩守恒定律 2 在传统观点中, 三个守恒定律的不同点第一个不同点 : 能量守恒定律由时间平移不变性推出, 动量守恒定律由空间平移不变性推出, 而角动量守恒定律则由空间旋转不变性推出 但是, 这三个不变性是否能够同时成立, 似乎没有被质疑过 第二个不同点 : 在整个自然科学领域, 能量守恒定律是最重要而且应用最广泛的定律, 而其它两个定律则没有如此的重要性和广泛性 能量守恒定律已经成为全部自然科学的基石 它在物理学, 化学, 生物学等领域, 都获得广泛应用 但是, 动量守恒定律和动量矩守恒定律, 除了物理学领域之外, 在其它领域基本上没有应用 3 应用比较的方法, 重新讨论上述传统观点, 以及建立跨学科的能量守恒科学等问题科学发展的趋势之一是用最少的定律和公式等, 解决尽可能多的问题 经过比较可以发现, 能量守恒定律, 动量守恒定律, 动量矩守恒定律三个守恒定律的重要性是不相同的, 其中能量守恒定律是最重要的, 而且能量守恒定律的重要作用还远远没有发挥出来 既然能量守恒定律是如此重要, 我们就可以在处理与运动和能量有关的问题时, 将能量守恒定律视为唯一的真理建立跨学科的能量守恒科学, 统一处理物理学和化学等等领域中与运动和能量有关的所有问题 关于能量守恒科学的详细情况, 可见参考文献 [4] 例如, 在参考文献 [2,3] 中, 已经对物体自由下落问题, 用能量守恒定律导出了原有的万
有引力定律和原有的牛顿第二定律 ; 以及对在引力场中小球沿斜面滚下的问题, 用能量守恒 定律导出了改进的万有引力定律和改进的牛顿第二定律 常维分形的结果如下 改进的牛顿第二定律 1.01458 F ma (1) 改进的万有引力定律 GMm F (2) 1.99989 r 变维分形的结果如下 设改进的牛顿第二定律为 1 F ma, u 改进的万有引力定律为 k 1 (3) 2 F GMm/ r, u 其中 :u 为小球滚下的水平距离 经过确定 k 1, k2, 得到变维分形的结果 8.85 10 2.71 10 8 u 13 u k 2 (4) 变维分形的结果要大大优于常维分形的结果 另外, 在参考文献 [5] 中, 还提出了用能量守恒定律导出广义相对论的有关公式和方程组 的建议 既然在处理与运动和能量有关的问题时, 将能量守恒定律视为唯一的真理, 则表明 : 在 整个物理学范围内, 动量守恒定律和动量矩守恒定律并不是永远正确的 换句话说, 对应于 三大守恒定律的时间平移不变性, 空间平移不变性, 和空间旋转不变性, 并不能够无条件地 同时成立 为什么? 因为动量守恒定律和动量矩守恒定律的成立是有条件的 ; 亦即 : 动量守 恒的条件是没有外力的作用, 动量矩守恒的条件是没有外力矩的作用 更有甚者, 在没有外力作用的情况下, 动量也可能不守恒 ; 在没有外力矩作用的情况下, 动量矩也可能不守恒 为什么? 因为在许多情况下, 根据原有的牛顿第二定律可以导出动量 守恒定律和动量矩守恒定律 但是, 式 (1) 和 (3) 已经表明, 在某些情况下, 原有的牛 顿第二定律不成立, 需要用改进的牛顿第二定律来代替 ; 因此, 对于这些原有的牛顿第二定 律不成立的情况, 尽管没有外力或者没有外力矩, 动量守恒定律和动量矩守恒定律也不再成 立 据此, 动量守恒定律和动量矩守恒定律不能作为物理学中的基本守恒定律 下面给出动量守恒定律和动量矩守恒定律不成立但是能量守恒定律仍然成立的实例 动量守恒定律经常用于处理平面上两球碰撞的问题 ; 显然, 如果考虑两球运动过程中的 摩擦等效应时, 则动量守恒定律不再成立, 但是能量守恒定律仍然成立 动量矩守恒定律经常用于处理行星绕日运动的问题 ; 如果假设行星是在气体中运动, 而 不是在真空中运动, 则考虑行星运动过程中的摩擦等效应时, 动量矩守恒定律不再成立, 但 是能量守恒定律仍然成立
4 动量守恒定律和动量矩守恒定律的改进比较和借鉴式 (1) 到式 (4), 亦即常维分形和变维分形两种形式的的改进的牛顿第二定律和改进的万有引力定律, 可以用类似的方法改进动量守恒定律和动量矩守恒定律 参考文献 [2,3] 中已经指出 : 当原有的动量守恒定律和动量矩守恒定律不成立时, 可以给出其常维分形或变维分形的改进形式 假设原有的动量守恒定律为 P t 0 P Const 则改进的动量守恒定律为 P t P 1 0 式中 : 为常量或变量 经过这样的处理以后, 改进的动量守恒定律不但可以在有外力作用的情况下成立, 而且可以在考虑摩擦等效应时仍然成立 也就是说, 改进的动量守恒定律的适用范围将极大地扩充 但是, 其适用范围依然不如能量守恒定律 ; 而且, 改进的动量守恒定律是否适用, 还要受到能量守恒定律的检验, 因为能量守恒定律是唯一正确的真理 因此, 改进的动量守恒定律依然不能成为物理学中的基本守恒定律 假设原有的动量矩守恒定律为 L t L 0 Const 则改进的动量矩守恒定律为 L t L 1 0 式中 : 为常量或变量 与改进的动量守恒定律相类似 : 经过这样的处理以后, 改进的动量矩守恒定律不但可以 在有外力矩作用的情况下成立, 而且可以在考虑摩擦等效应时仍然成立 也就是说, 改进的 动量矩守恒定律的适用范围将极大地扩充 但是, 其适用范围依然不如能量守恒定律 ; 而且, 改进的动量矩守恒定律是否适用, 还要受到能量守恒定律的检验, 因为能量守恒定律是唯一 正确的真理 因此, 改进的动量矩守恒定律依然也不能成为物理学中的基本守恒定律 5 结论在比较物理学中, 根据比较的方法, 可以讨论能量守恒定律, 动量守恒定律, 动量矩守恒定律三个守恒定律的相同点和不同点 ; 进而根据真理的唯一性原则, 将能量守恒定律视为唯一的真理和唯一的物理学基本守恒定律, 并建立能量守恒科学 而动量守恒定律和动量矩守恒定律则不能成为物理学基本守恒定律 比较常维分形和变维分形两种形式的的改进的牛顿第二定律和改进的万有引力定律, 可以用类似的方法改进动量守恒定律和动量矩守恒定律 改进的动量守恒定律或改进的动量矩守恒定律不但可以在有外力或外力矩作用的情况下成立, 而且可以在考虑摩擦等效应时仍然成立 也就是说, 改进的动量守恒定律或改进的动量矩守恒定律的适用范围将极大地扩充 但是, 其适用范围依然不如能量守恒定律 ; 而且, 改进的动量守恒定律或改进的动量矩守恒定律是否适用, 还要受到能量守恒定律的检验, 因为能量守恒定律是唯一正确的真理 因此, 改进的动量守恒定律或改进的动量矩守恒定律依然也不能成为物理学中的基本守恒定律
参考文献 1 Fu Yuhua. Expanding Comparative Literature into Comparative Sciences Clusters with Neutrosophy and Quad-stage Method, Neutrosophic Sets and Systems, Vol. 12, 2016, 118~121 2 Fu Yuhua, New Newton Mechanics Taking Law of Conservation of Energy as Unique Source Law, Science Journal of Physics, Volume 2015, Article ID sjp-130, 12 Pages, 2015, doi: 10.7237/sjp/130 3 Fu Yuhua. New Newton Mechanics and Related Problems, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2016 4 付昱华, 能量守恒科学, 德州学院学报,2004,20(6),20~24 5 Fu Yuhua. Comparative Studies of Law of Gravity and General Relativity No.1 of Comparative Physics Series Papers,see: vixra:1609.0291, submitted on 2016-09-19, or: http://www.gsjournal.net/science-journals/research%20papers/view/6643