量守恒定律是最早发现的一条守恒定律,它起源于16~17世纪西欧的哲学家们对宇宙运动的哲学思考。
观察周围运动着的物体,我们看到它们中的大多数,例如跳动的皮球、飞行的子弹、走动的时钟、运转的机器,都会停下来。看来宇宙间运动的总量似乎在减少。整个宇宙是不是也像一架机器那样,总有一天会停下来呢?但是,千百年来对天体运动的观测,并没有发现宇宙运动有减少的迹象。生活在16、17世纪的许多哲学家认为,宇宙间运动的总量是不会减少的,只要能找到一个合适的物理量来量度运动,就会看到运动的总量是守恒的。这个合适的物理量到底是什么呢?
法国哲学家兼数学家、物理学家笛卡儿提出,质量和速率的乘积是一个合适的物理量。可是后来,荷兰数学家、物理学家惠更斯(1629—1695)在研究碰撞问题时发现:按照笛卡儿的定义,两个物体运动的总量在碰撞前后不一定守恒。
牛顿在总结这些人工作的基础上,把笛卡儿的定义作了重要的修改,即不用质量和速率的乘积,而用质量和速度的乘积,这样就找到了量度运动的合适的物理量。牛顿把它叫做“运动量”,1687年,牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中指出:某一方向的运动的总和减去相反方向的运动的总和所得的运动量,不因物体间的相互作用而发生变化;还指出了两个或两个以上相互作用的物体的共同重心的运动状态,也不因这些物体间的相互作用而改变,总是保持静止或做匀速直线运动。
2.动量守恒定律的适用范围比牛顿运动定律更广
近代的科学实验和理论分析都表明:在自然界中,大到天体间的相互作用,小到如质子、中子等基本粒子间的相互作用,都遵守动量守恒定律。因此,它是自然界中最重要、最普遍的客观规律之一,比牛顿运动定律的适用范围更广。下面举一个牛顿运动定律不适用而动量守恒定律适用的例子。
在我们考察光的发射和吸收时,会看到这样一种现象:在宇宙空间中某个地方有时会突然发出非常明亮的光,这就是超新星。可是它很快就逐渐暗淡下来。光从这样一颗超新星出发到达地球需要几百万年,而相比之下超新星从发光到熄灭的时间就显得太短了。
当光从超新星到达地球时,它给地球一个轻微的推动,而与此同时地球却无法给超新星一个轻微的推动,因为它已经消失了。因此,如果我们想像一下地球与超新星之间的相互作用,在同一瞬间就不是大小相等、方向相反了。这时,牛顿第三定律显然已不适用了。
虽然如此,动量守恒定律还是正确的。不过,我们必须把光也考虑在内。当超新星发射光时,星体反冲,得到动量,同时光也带走了大小相等而方向相反的动量。等经过几百万年之后光到达地球时,光把它的动量传给了地球。这里要注意的是:动量不仅可以为实物所携带,而且可以随着光辐射一起传播。当我们考虑到上述这点时,动量守恒定律还是正确的。
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