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[!--downpath--]守恒定理的緣起摘要：守恒定理的成立是極為艱難的，而且其所取得的成果無疑是極為輝煌的，甚至高中生都曉得幾條守恒定理，并且守恒定理是否如它看起來這么完美，又是否攻無不克，戰(zhàn)無不勝呢？關(guān)鍵詞：邁爾，能量守恒定理，動量守恒定理，宇稱。:,,aw,,all-,s:Meyer,w,，.關(guān)于守恒定理，其中最知名的便是能量守恒定理，內(nèi)容為：能量既不會陡然形成，也不會陡然消失，它只能從一種方式轉(zhuǎn)化為其他方式，或則從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總數(shù)不變。如今看上去是多么合乎常理的一件事，并且在最初卻讓人扔掉了性命，這個人的名子叫邁爾。邁爾是一個大夫，日，他作為一名隨船大夫跟隨一支船隊來到美國尼西亞。
因為海員得病，他幫忙醫(yī)治，在診治過程中，邁爾開始思索：人的血液所以是紅的是由于上面富含氧，氧在人體內(nèi)燃燒形成熱量，維持人的溫度。這兒天氣酷熱，人要維持溫度不須要燃燒這么多氧了，所以靜脈里的血一直是暗紅的。這么，人身上的熱量究竟是從哪來的？頂多500克的腎臟，它的運動根本難以形成這么多的熱，難以光靠它維持人的溫度??邁爾越想越多，最后歸結(jié)到一點：能量怎么轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)移）？他一回到比薩就寫了一篇《論無機界的力》，并用自己的方式測得熱功當量為365千克米/卡路里。他將論文投到《物理年鑒》，卻得不到發(fā)表，只得發(fā)表在一本名不見經(jīng)傳的醫(yī)學刊物上。化學學家們難以相信他的話，很不敬愛地稱他為“瘋子”，而邁爾的家人也懷疑他瘋了，竟要請大夫來治療他。他除了在學術(shù)上不被人理解，但是又先后經(jīng)歷了生活上的嚴打，幼子去世，父親也因革命活動遭到牽扯，在一連串的嚴打1849年從三層樓上跳下自盡，而且未遂，卻導致四肢傷殘，因而成了瘸子。隨即他被送到哥根廷精神病院，遭到了八年的非人摧殘。雖然后來人們意識到了錯誤，給與邁爾榮耀，但他也在不久后與世長辭了。而且我覺得，這一切也是有道理的，由于能量這些東西看不見摸不著質(zhì)量守恒定律相關(guān)的實驗視頻，他忽然提出了這種理論，不為人理解也是理所因當。
相比之下，另一個人就要好得多，這個人便是焦耳，焦耳提出這個觀點時也有人指責，并且焦耳是搞實驗的，實驗給了他信心，所以他經(jīng)受得住那個壓力。但是由于實驗，他的觀點被人們所接受。這一例子也提醒人們化學實驗的重要性。因為能量守恒定理的發(fā)覺，人們最想聽到的東西——永動機被宣布是不可能的?；闹嚨氖乾F(xiàn)今還有好多人相信永動機的存在。我看過關(guān)于這種的介紹。她們是想通過不斷地繳納外部的能量來實現(xiàn)“永動”，和永動機的初旨并不相同。能量守恒定理發(fā)覺以后又幾經(jīng)磨難，然而后來都被證明是有幾種能量未被發(fā)覺，此后能量守恒定理站穩(wěn)了膝蓋。能量守恒定理是守恒定理之中當之無愧的“老大”，但卻不是我們常常用的，我們常常用的是下邊一個守恒定理：動量守恒定理。這個守恒定理的大致內(nèi)容是：假如一個系統(tǒng)不受外力或所受外力的矢量和為零，這么這個系統(tǒng)的總動量保持不變。這個守恒定理很簡單，由于我們可以通過牛頓運動學定理推出。并且仍然讓我苦惱的是：后來連牛頓運動學定理都不管用了，動量守恒定理卻仍然創(chuàng)立，這如同是邏輯上面大前提都不正確了，而推論一直正確一樣，這仍然讓我覺得很可笑。并且這是事實，所以動量守恒定理有著更普遍更深刻的根基。現(xiàn)代數(shù)學學已確定地認識到動量守恒定理是和自然界的更為普遍的屬性——時空對稱性——相關(guān)連著的。
任一給定的數(shù)學實驗（或化學現(xiàn)象）的發(fā)展過程和該實驗所在的空間位置無關(guān)，即換一個地方做，該實驗進展的過程完全一樣。這個事實叫空間平移對稱性，也叫空間的均勻性。動量守恒定理就是這些對稱性的彰顯。其實，動量守恒定理的發(fā)覺也飽含了爭吵：主要是兩派：一是主張1／2mv*v守恒；一是堅持mv守恒。其實，后來我們曉得這兩個都是對的。這讓我想起了同樣的一件事：光是粒子還是波。我們?nèi)缃駮缘霉饧仁橇Ｗ右彩遣?，這也在提醒我們：實驗才是檢驗真理的惟一標準。到目前為止，三大守恒定理早已介紹了兩個，最后一個也是我們上學院后才接觸的一個：角動量守恒定理。其大致內(nèi)容為：對一固定點o,質(zhì)點所受的合外扭力為零,則此質(zhì)點的角動量矢量保持不變。如此說可能不夠形象，舉個反例：假如把太陽看成力心，行星看成質(zhì)點，則上述推論就是開普勒行星運動三定理之一,開普勒第二定理。角動量守恒也是微觀數(shù)學學中的重要基本規(guī)律。在基本粒子衰變、碰撞和轉(zhuǎn)變過程中都遵循反映自然界普遍規(guī)律的守恒定理，也包括角動量守恒定理。W.泡利于1931年按照守恒定理推斷自由中子衰變時有反中微子形成，1956年后為實驗所否認。我們曉得質(zhì)點系的角動量守恒的推論是用到牛頓第三定理的。
這又是一個宏觀公式在微觀條件下創(chuàng)立的反例。于是我們又想到了時空對稱性：任一給定的數(shù)學實驗的發(fā)展過程和該實驗裝置在空間的取向無關(guān)，即把實驗裝置轉(zhuǎn)一個方向，該實驗進展的過程完全一樣。這個事實叫空間轉(zhuǎn)動對稱性，也叫空間的各向同性。角動量守恒定理就是這些對稱性的表現(xiàn)。由此看來，守恒定理雖然都有著“大背景”，雖然攻無不克質(zhì)量守恒定律相關(guān)的實驗視頻，戰(zhàn)無不勝，一切都是這么美好與和諧。但真的是這樣嗎？事實上，守恒定理大軍的前行路途上也遭到磨難，其中比較知名的是宇稱守恒定理的破壞：上世紀50年代來，化學學家先后發(fā)覺一些守恒定理有時并不完全滿足對稱性。英籍華人數(shù)學學家楊振寧和李政道曾提出弱互相作用中宇稱不守恒理論并經(jīng)實驗否認：1956年，李政道和楊振寧在深入細致地研究了各類誘因以后，大膽地斷定：τ介子)，但在弱互相作用的環(huán)境中，它們的運動規(guī)律卻不一定完全相同，淺顯地說，這兩個相同的粒子假如相互照穿衣鏡的話，它們的衰變形式在穿衣鏡里和穿衣鏡外竟然不一樣！用科學語言來說，“θ-τ”粒子在弱互相作用下是宇稱不守恒的。在最初，“θ-τ”粒子只是被作為一個特殊例外，人們還是不樂意舍棄整體微觀粒子世界的宇稱守恒。隨后不久，同為亞裔的實驗化學學家吳健雄用一個巧妙的實驗驗證了“宇稱不守恒”，自此，“宇稱不守恒”才真正被承認為一條具有普遍意義的基礎(chǔ)科學原理。
吳健雄用兩套實驗裝置觀60的衰變，她在極高溫(0.01K)下用強磁場把一套裝置中的鈷60原子核載流子方向轉(zhuǎn)向左旋，把另一套裝置中的鈷60原子核載流子方向轉(zhuǎn)向右旋，這兩套裝置中的鈷60互為鏡像。實驗結(jié)果表明，這兩套裝置中的鈷60放射下來的電子數(shù)有很大差別，但是電子放射的方向也不能互相對稱。實驗結(jié)果否認了弱互相作用中的宇稱不守恒。除了守恒定理向外擴張的時侯遭到狙擊，它們內(nèi)部也并非鐵板一塊。例如說能量守恒定理也有不創(chuàng)立的時侯：在發(fā)生康普頓散射的“二步過程”時能量是不守恒的。雖然守恒定理遭受磨難，我們還是樂此不疲地發(fā)覺更多的守恒定理：自然界中還存在著其它的守恒定理，比如：質(zhì)量守恒定理，電荷守恒定理??守恒定理都是關(guān)于變化過程的規(guī)律，它們都說的是只要過程滿足一定的整體條件，就可以毋須考慮過程的細節(jié)而對系統(tǒng)的初，末狀態(tài)的個別特點下推論。不究過程細節(jié)而能對系統(tǒng)的狀態(tài)下推論，這就是各個守恒定理的特性和優(yōu)點。正是因為守恒定理的這一重要意義，所以化學學家們總是想方設(shè)法在所研究的現(xiàn)象中找出這些量是守恒的。一旦發(fā)覺了某種守恒現(xiàn)象，她們就首先用以整理過去的經(jīng)驗并總結(jié)出定理。爾后，在新的現(xiàn)象中對它進行檢驗，但是依靠于它作出有掌握的預見假如在新的現(xiàn)象中發(fā)覺某一守恒定理不對，人們還會更精確地或更全面地對現(xiàn)象進行觀察研究，便于找尋這些被忽略了的誘因，繼而再認定該守恒定理是正確性。
在有些看來守恒定理失效的情況下，人們還千方百計地尋求“補救”的方式，例如擴大守恒量的概念，引進新的方式，進而使守恒定理愈發(fā)普遍化。但這也并非都是可能的。以前有化學學家看見有的守恒定理難以“補救”時，便大膽地宣布了這種守恒定理不是普遍組建的，認定它們是有缺陷的守恒定理。不論是上述那個情況，都能使人們對自然界的認識步入一個新的更深入的階段。事實上，每一守恒定理的發(fā)覺，推廣和修正，在科學史上的確都曾對人們認識自然的過程起過巨大的促進作用。卓崇培,劉文杰,《時空對稱性與守恒定理》,高等教育出版社1982張三慧《大學化學學（第五冊）量子化學》，復旦學院出版社2000張三慧《大學數(shù)學學（第一冊）熱學》，復旦學院出版社1999