物理化学物理化学物理化学 (2).pdf

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1、宝鸡文理学院学报（自然科学版），第 卷，第期，第 页，年 月 （），：能量转换与守恒定律的发现摘要：目的揭示能量转换与守恒定律发现的过程。方法采用历史的、分析的、逻辑的科学方法。结果能量转换与守恒定律的发现过程曲折而艰辛，涉及到德国的迈尔、英国的焦耳、德国的亥姆霍兹等科学家开创性的研究工作。结论指出了能量转换与守恒定律的重要性：了解能量守恒定律发现的历史过程，对于理解自然科学发展中理论的形成是有益的。强调了对于能量守恒定律还需要更进一步深入的认识和研究。关键词：能量转换与守恒定律；发现；历史沿革；迈尔；焦耳；亥姆霍兹中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，：；能量转换与

2、守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。从物理、化学到地质、生物，大到宇宙天体，小到原子核内部，只要有能量转换，就一定服从能量守恒的规律。从日常生活到科学研究、工程技术，这一规律都发挥着重要的作用。人类对各种能量，如煤、石油等燃料以及水收稿日期：，修回日期：，网络出版时间：作者简介：郭振华（），男，陕西岐山人，教授，研究方向：原子物理学、物理学史 ：DOI:10.13467/ki.jbuns.2012.04.015能、风能、核能等的利用，都是通过能量转换来实现的。能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器。能量转换与守恒定律发现的曲折历程 世纪中叶发现的能量转换与守恒定律是自然科学

3、中十分重要的定律。它的发现是人类对自然科学规律认识逐步积累到一定程度的必然事件。尽管如此，它的发现仍然是曲折艰苦和激动人心的。了解能量守恒定律发现的曲折而艰辛的过程，对于理解自然科学发展中理论的形成是有益的。世纪 年代前后，欧洲科学界已经普遍蕴含着一种思想气氛，以一种联系的观点去观察（测）自然现象。正是在这种情况下，以西欧为中心，从事七八种专业的十多位科学家，分别通过不同途径，各自独立地发现了能量守恒原理。其中贡献最为突出的有三位科学家，他们是：德国医生迈尔，英国实验物理学家焦耳，德国生物学家、物理学家亥姆霍兹。能量转换与守恒定律发现前的准备能量守恒定律是联系机械能和热能的定律。自然，在它发现

4、之前人们必须对机械能和热能有较深入的研究与认识。我们现在就从这两个方面来做介绍与评述。有关“活力”与“死力”的论战 年 笛 卡 尔（，）在他所著的 哲学原理 中讨论碰撞问题时引进了动量的概念，用以度量运动。年牛顿（，）在他的 自然哲学的数学原理 中用动量的改变来度量力。与此不同的是莱布尼兹（，）在 年的一篇论文中抨击笛卡尔，主张用质量乘速度的平方来度量运动，莱布尼兹称之为活力；他把牛顿由动量所度量的力则称为死力。莱布尼兹的主张正好和 年惠更斯关于碰撞问题研究的结论一致，该结论认为“两个物体相互碰撞时，它们的质量与速度平方乘积之和在碰撞前后保持不变。”从莱布尼兹挑起争论算起，形成了以笛卡尔和莱布

5、尼兹两大派的论争。这场论战延续了近半个世纪，许多学者都参加了论战，并且各有实验佐证。一直到 年法国学者达朗贝尔（，）在他的 论动力学 中说：“对于量度一个力来说，用它给予一个受它作用而通过一定距离的物体的活力，或者用它给予受它作用一定时间的物体的动量同样都是合理的。”在这里，达朗贝尔揭示了活力是按作用距离力的量度，而动量是按作用时间力的量度。这场争论终于尘埃落定了。活力才作为一个正式的力学名词为力学家们普遍接受。活力虽然被力学家接受了，但是它与力的关系并没有搞明白。一直到 年英国学者托马斯杨（，）引进了能量的概念，年法国学者科里奥利（，）又引进了力做功的概念，并且在活力前加了系数并称之为动能，

6、通过积分给出了功与动能的联系，即 或者，（）式中，为引力所做的功，即物理过程的功率为力和物体运动速度的乘积。上式表示力做功转化为物体的动能。也就是说自然界的机械能是守恒的。温度计的制作、发明与潜热的发现关于热的精确理论应当从设计、制作温度计开始。从 世纪开始，在意大利，伽利略（，）等人开始制作温度计。较早的实用温标是华氏温标，德国物理学家华伦海（，）从 年开始使用水银做温度计，并且不断改进，直到 年大致确定了现在所称的华氏温标。华伦海去世后，科学家才正式确定华氏温标为：以水的沸点为 ，把 定为水的冰点。这样规定，是为了尽量使通常的温度避免取负值。瑞典 天 文 学 家 摄 耳 修 斯（，）于 年

7、发明了摄氏温标，以标准状态下水的结冰温度为，水的沸点为 。摄氏温标在 年被国际度量衡会议定为国际标准。温度计的发明给热学的精确化准备了必要的条件，人们可以用它来测量各种不同条件下物质的温度变化。最早人们并没有把温度和热量区分开来，认为温度就是热量。世纪 年代，英国科学家布莱克（，）把 的冰块与相等重量的 的水相混合，结果发现，平均温度不是 第期郭振华 等能量转换与守恒定律的发现，而是，其效果只是冰块全部融化为水。布莱克由此做出结论：冰在熔解时，需要吸收大量的热量，这些热量使冰变成水，但并不能引起温度的升高。他还猜想到，冰熔解时吸收的热量是一定的。为了弄清楚这个问题，他把实验反过来做，即观测水在

8、凝固时是否也会放出一定的热量。他把 的过冷却的水不停的振荡，使一部分过冷却水凝固为冰，结果温度上升了；当过冷却水完全凝固时，温度上升到摄氏零度，表明水在凝固时确实放出了热量。进一步的大量实验使布莱克发现，各种物质在发生物态变化（熔解、凝固、汽化、凝结）时，都有这种效应。他曾经用玻璃罩将盛有酒精的器皿罩住，把玻璃罩内的空气抽走，器皿中的酒精就迅速蒸发，结果在玻璃罩外壁上凝结了许多小水珠。这说明液体（酒精）蒸发时要吸收大量的热，因而使玻璃罩冷却了，外壁上才凝结了水珠。布莱克用一个很简单直观的办法来测定水汽化时所需要的热量。他用一个稳定的火来烧 零摄氏度的水，使水沸腾，然后继续烧火，直至水完全蒸发掉

9、。测出使沸腾的水完全蒸发所烧的时间，为使水由 升温到沸腾所烧的时间的 倍，表明所供热量之比为 。这个实验当然是很粗糙的，所测的数值也有很大的误差；现在的测定表明这个比值为 。布莱克还用类似的方法测出，熔解一定量的冰所需要的热量，和把相同重量的水加热 所需要的热量相等（相当于加热 所需要的热量），这个数值也偏小了一点，正确的数值为 （相当于 ），但在当时，这种测量结果也是很难得的。布莱克基于这些实验事实于 年开始认识到热量与温度是两个不同的概念，进而在 年引入了“潜热”概念。其后，法国科学家拉瓦锡（，）与拉普拉斯（，）合作在 年提出了正确测量物质热容量的方法。由于热的精确度量的成熟，年法国学者傅

10、里叶（，）出版了他多年关于热学研究的总结著作 热的解析理论。热力机械的发明与改进从远古开始，人类就认识到由机械运动可以产生热。无论在东方和西方，古代都有钻木取火的纪录，这就是把机械运动转变为热的早期实践。不过几千年以来一直没有人想到机械能和热能的定量转换问题。直到美国人朗福德（，）年在慕尼黑注意到，当用镗具钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料象火一样发烫，必须不断用水来冷却。朗福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热；如果把这些热都传给原金属，则足以把它熔化。朗福德的结论是，镗具的机械运动转化为热，因此热是一种运动形式，而不是以前人们所认为的是一种物质。朗福德还试图计算一定量的机械能所产生的

11、热量。这样朗福德首次就给出一个我们现在称为热功当量的数值。不过他的数值太高。半个世纪以后，焦耳才给出了正确值。提到热能转变为机械能，最早应当提到的是亚力山大的希罗（，约公元 年前后）发明的蒸汽机。这项发明是一个空心球体上面连上两段弯管，当球内的水沸腾时，蒸汽通过管子喷出，这个球就迅速旋转，这是最早的蒸汽机。不过那时只是用于祭神与玩耍，而没有实际应用。年，英国人托马斯 纽可曼（，）发明了大气压蒸汽机。这种机器具有汽缸与活塞，在工作时，先把蒸汽导入汽缸，这时汽缸停止供汽而汽缸内进水，蒸汽便遇冷凝结为水使汽缸内气压迅速降低，就可以使水吸上来。之后再把蒸汽导入汽缸，进行下一个循环。最初的这种蒸汽机大约

12、每分钟往返十次，而且可以自动工作，使矿井的抽水工作大为便利，所以不仅英国人使用，德国与法国也在使用。瓦特（，）在 世纪后半叶对蒸汽机进行了改进。其中最重要的改进有两项，一项是发明了冷凝器大大提高了蒸汽机的效率，另一项是发明了离心调速器使蒸汽机速度可自由控制。瓦特改进之后，蒸汽机才真正在工业上被普遍使用。永动机的不可能永动机的研究是导致能量守恒原理建立的另一个重要线索。据说永动机的概念发端于印度，在公元 世纪就传入欧洲。最有代表性的有两位，：早期最著名的一个永动机设计方案，是 世纪的法国人亨内考（）设计的。如图所示，轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装，个可宝鸡文理学院学报（自然科学版）年活动的短

13、杆，每个短杆的一端装有一个铁球。后来列奥多也设计了一台类似的装置，如图所示。随后，研究和发明永动机的人不断涌现。尽管有不少学者研究指出永动机是不可能的，但是研究永动机的人还是前赴后继。文艺复兴时期意大利伟大学者达芬奇（，）曾经用不少精力研究永动机。可贵的是，他最后得到了永动机不可能的结论。与达芬奇同时代还有一位名叫卡丹的意大利人（，），他以最早给出求解三次方程的根而出名，也认为永动机是不可能的。关于永动机的不可能，还应当提到荷兰物理学家司提芬（，）。司提芬通过解决汇交力系的平衡问题，得出永动机不可能的认识，并且由此得到了汇交三力平衡的条件。随着对永动机不可能的深刻认识，一些国家对永动机给出了限

14、制。如早在 年法国科学院就决定不再刊载有关永动机的通讯。年美国专利局决定不再受理永动机专利的申请。（而美国在 年之后，还是有不少因一时看不出奥妙的永动机方案被专利局所接受）。图亨内考永动机方案图列奥多永动机方案在前面所述的这些科学研究工作的基础上（机械能的度量和守恒的提出、热能的度量、机械能和热能的相互转化以及大量的实践宣布永动机是不可能造成的。），发现能量守恒定律的条件逐渐成熟了。迈尔的探索、发现与他的反常“遭遇”迈尔（，）是德国的物理学家。大学时学医，当过随船医生，工作比较清闲。大约在 年去爪哇的航行中，迈尔由于考虑动物体温问题而对物理学发生了兴趣。在泗水，当他为一些患病的水手放血（在西方

15、，大约从公元世纪开始的一种治疗方法。）时，他发现静脉的血比较鲜亮，起初他还误以为是切错了动脉。于是他思考，血液比较红是在热带身体不像在温带那样需要更多的氧来燃烧以保持体温。这一现象促使迈尔思考身体内食物转化为热量以及身体能够做功这个事实。从而得出结论，热和功是能够相互转化的。他又注意到当时许多人进行永动机的实验都以失败而告终，从童年时期就给他留下了深刻的印象。这些使他猜想“机械功根本不可能产生于无”。年月 日，迈尔在给友人的信中最早提及了热功当量。他说：“对于我的能用数学的可靠性来阐述的理论来说，极为重要的仍然是解决以下这个问题：某一重物（例如 磅）必须举到地面上多高的地方，才能使得与这一高度

16、相应的运动量和将该重物放下来所获得的运动量正好等于将磅的冰转化为的水所必要的热量。”年月，迈尔写了一篇短文 关于无机界的力的看法 寄给了 药剂学和化学编年史 的主编、德国化学家李比希（，），李比希立即答应采用这篇文章。机械的热功当量在这篇文章中得到第一次说明。文中说：“人们发现，一重物从大约 高处下落所做的功，相当于把同重量的水从 升到 所需的热量。”他的文章发表于 年月。迈尔是最早进行热功当量实验的学者，在 年，他用一匹马拉机械装置去搅拌锅中的纸浆，比较了马所做的功与纸浆的温升，给出了热功当量的数值。他的实验与焦耳的实验相比，显得粗糙，但是他深深认识到这个问题的重大意义，并且最早表述了能量守

17、恒定律。他在 年底给友人的信中说：“我主观认为，表明我的定律的绝对真理性的是这种相反的证明：即一个在科学上得到普遍公认的定理：永动机的设计在理论上是绝对不可能的（这就是说，即使人们不考虑力学上的困难，比方说摩擦等等，人们也不可能成功地由思想上设计出来）。”迈尔的论文并没有引起社会重视，为了补足第一篇论文没有计算、过于简要的缺点，他又写了第二篇论文，结果如石沉大海，也没有被采用。当时他也论证了太阳是地球上所有有生命能与非生命能的最终源泉。后来，亥姆霍兹与焦耳的论文相继发表，人们就把能量守恒定理的发明人归于亥姆霍兹与焦耳。而迈尔的论文比亥姆霍兹与焦耳的论文既早又系第期郭振华 等能量转换与守恒定律的

18、发现统，却不仅得不到承认，还招来了一些攻击文章。年，亥姆霍兹阅读了迈尔 年的论文，并且承认迈尔早于自己影响很广的论文。克劳修斯也认为迈尔是能量守恒定律的发现者。克劳修斯把这一 事实告诉了 英国声学家丁铎尔（，），一直到 年由丁铎尔在伦敦皇家学会上系统介绍了他的工作，他的成就才得到社会的公认。年，迈尔的早期论文被翻译成英文出版，年，迈尔被选为巴黎科学院的通讯成员，并且获得了彭赛列奖（）。晚年的迈尔也可以说是苦尽甘来，先后获得了英国皇家学会的科普利奖章、蒂宾根大学的荣誉哲学博士、巴伐利亚和意大利都令科学院院士的称号。年月 日迈尔在海尔布逝世。迈尔是用热学观点研究有机世界的第一人。恩格斯对迈尔的工作

19、给予很高的评价。亥姆霍兹与焦耳的研究工作 亥姆霍兹与他的 论力的守恒亥姆霍兹是德国著名的物理学家、生理学家。少年时期就聪明好学。年，岁的亥姆霍兹以优异的成绩考入了柏林弗雷德里克威廉皇家医学院，在学习期间，他对医学和物理学都很有兴趣。年，他发表了一篇短文，纠正了化学家李比希的一个疏忽。亥姆霍兹指出：在动物体中的食物的燃烧热不可以直接地等同于构成这些食物的化学元素的燃烧热。同时，他把这一原理对物理学的各个分支的影响作了简要的论述。年，亥姆霍兹提出了 力的守恒（）一文，论述了他的能量守恒转化方面的基本思想。他提出，自然科学的基本任务“就在于把一切自然现象归结为其大小不变的吸引力和排斥力”。他把中心力

20、看作机械运动的最后的原因，并证明了这种力的性质。同年，他在德国物理学会发表了关于力的守恒的讲演。在这次讲演中，第一次以数学方式提出能量守恒定律。主要论点是：一切科学都可以归结到力学。强调了牛顿力学和拉格朗日力学在数学上是等价的，因而可以用拉氏方法以力所传递的能量或它所作的功来量度力。所有这种能量是守恒的。亥姆霍兹发展了迈尔（）、詹姆斯普雷斯科特焦耳（）等人的工作，讨论了已知的力学的、热学的、电学的、化学的各种科学成果，严谨地论证了各种运动中的能量守恒定律。这次讲演内容后来写成了专著 力之守恒 出版。亥姆霍兹就是从永动机不可能实现的这个事实入手研究发现能量转换和守恒原理的。他在论文中写道：鉴于前

21、人试验的失败，人们不再询问“我如何能利用各种自然力之间已知和未知的关系来创造一种永恒的运动”，而是问道“如果永恒的运动是不可能的，在各种自然力之间应该存在着什么样的关系？”在热力学研究方面，于 年发表论文 化学过程的热力学，他把化学反应中的“束缚能”和“自由能”区别开来，指出前者只能转化为热，后者却可以转化为其他形式的能量。他从克劳修斯的方程，导出了后来称作的吉布斯亥姆霍兹方程。这里还要提及一下。年月 日，亥姆霍兹向物理学会作了题为 论力的守恒 的著名报告。报告后，他将文章交给 物理学编年史的编辑，不料又和年前迈尔的稿件命运一样，编辑以没有实验事实而拒绝刊登。后来他将这篇论文作为小册子在另一家

22、有名的出版社出版了。文章的结论与 年焦耳的实验完全一致，很快就被人们称为“自然界最高又最重要的原理”。焦耳的热功当量实验焦耳（）是英国著名的实验物理学家，岁时得到名家道尔顿教授的指导，使他对科学产生了浓厚的兴趣。焦耳的数学知识很少，他的研究主要是靠测量。当时电机刚出现，焦耳注意到电机和电路中的发热现象，通过实验，焦耳于 年发现：“产生的热量与导体电阻和电流平方成正比”并发表了 论伏打电所产生的热的论文，这就是著名的焦耳楞次定律。年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实验，写了两篇关键性论文 论磁电的热效应和热的机械值 和 论水电解时产生的热，明确指出：“自然界的能是不能消灭的，哪里消耗了

23、机械能，总能得到相应的热，热只是能的一种形式。”焦耳使一个线圈在电磁体的两极之间转动产生感应电流，线圈放在量热器内，证实了热可以由磁电机产生。从这个实验焦耳立即领悟到热和机械功可以互相转化，在转化过程中遵从一定的当量关系。为了测定机械功和热之间的转换关系，焦耳设计了“热功当量实验仪”，焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条线，跨过两个定滑轮后挂上几磅重宝鸡文理学院学报（自然科学版）年的砝码，由砝码的重量和下落的距离计算出所做的功。测 得 热 功 当 量 为 。年又做了把水压入毛细管的实验和压缩空气实验，测出了热功当量分别为 和 。年发表 论热功当量。焦耳测定热功当量的工作一直进行到 年，先后采用不同的

24、方法做了 多次实验。以精确的数据为能量守恒原理提供了无可置疑的实验证明。年发表 热功当量的新测定，最后得到的数值为 。后人为纪念焦耳对科学所做出的贡献，在国际单位制中采用“焦耳”作为热量的单位，取 。但是关于这一原理的表述并不完善，恩格斯指出，运动的不灭性不能仅仅从数量上去把握，还应从质的转换上去理解。于是恩格斯将这一原理称之为“能量转换和守恒定律”。能量转换和守恒定律的三种表述永动机不能造成，热力学第一定律，能量转换与守恒定律，这三种表述在文献中是这样叙述的：“热力学第一定律就是能量守恒定律。”“根据能量守恒定律，所谓永动机是一定造不成的。反过来，由永动机的造不成也可导出能量守恒定律。”这里

25、不难看出，三种表述是完全等价的。但我们认为，这种等价是现代人赋予它们的现代价值，若从历史发展的角度来考查就会发现，这三种表述既有其连续性的一面，但也还有差异性的一面。这种差异反映了人类认识能量转换与守恒定律的不同阶段。永动机是不可能造成的能量转换和守恒定律的经验性表述 永动机是不可能造成的（）。热力学第一定律能量转换和守恒定律的解析表述 热力学第一定律（）。要对热力学第一定律进行解析表述，首先要准确定义“热量”、“功”、“能量”和“内能”这些概念。“热量”的概念最早在 世纪就给出了，就是热质的量（这显然是含糊不清的）。年，蓬斯莱（）在研究蒸汽机的过程中，明确定义了功为力和距离之积。而“能量”的

26、概念则是 年，伯努力（）在论述虚位移时就采用过了的。托马斯扬于 年就把力称为能量，由此定义了扬氏模量。但他们的定义一直未被人们接受，难怪迈耳、焦耳和亥姆霍兹还用“力”来称为能量。这对能量守恒定律的表述极为不利，再加上热质说的影响还远未肃清，因此“力的守恒”原理一直不为大多数人所接受。当然，也有一批有识之士认识到能量守恒定律的重大意义并为它的完善进行了卓有成效的工作。其中最著名的是英国的汤姆孙（）和德国的克劳修斯（），正是他们在前人的基础上提出了热力学第一和第二定律，由此建立了热力学理论体系的大厦。年，克劳修斯在德文版 物理学和化学年报 第 卷上，发表了 论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定

27、律 的论文。文中指出：卡诺定理是正确的，但要用热运动说并加上另外的方法证明才行。他认为，单一的原理即“在一切由热产生功的情况，有一个和产生功成正比的热量被消耗掉，反之，通过消耗同样数量的功也能产生这样数量的热。”是不够的；还得加上一个原理即“没有任何力的消耗或其它变化的情况下，就把任意多的热量从一个冷体移到热体，这与热素来的行为相矛盾。”来论证。他说，只有这佯，才能把热看成一种状态量。热力学第一定律即能量守恒和转换定律，它的语言表述为：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数量不变。热力学第一定律的解析表

28、达式为：式中，为内能，系状态函数。能量转换和守恒定律是自然界的基本规律，恩格斯曾把它和进化论、细胞学说并列为 世纪的三大发现。我们知道，一个知识领域只有发展到了揭示和把握对象的规定和量的联系时，也就是当用上了数学工具时，它才真正成为了一门科学。因此，只有到了这个时候，能量的转换和守恒定律（热力学第一定律）才同热力学第二定律的熵的表述一起构成了热力学的理论体系的基础。年，汤姆孙重新提出了能量的定义：“我们把给定状态中的物质系统的能量表示第期郭振华 等能量转换与守恒定律的发现为：当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用之和。”他还把态

29、函数称为内能。直到这时，人们才开始把牛顿的“力”和表征物质运动的“能量”区别开来，并广泛使用。在此基础上，苏格兰的物理学家兰金（）才把“力的守恒”原理改称为“能量守恒”原理。热力学理论建立之后，很多人还是觉得不好理解，尤其是第二定律。为此，从 年起，克劳修斯作了大量的工作，努力寻找一种为人们容易接受的证明方法来解释这两条原理（当时还是叫原理），并多次用通俗的语言进行宣讲。这样，直到 年左右，能量原理才被人们普遍承认。能量转换和守恒定律的准确表述（）年后，能量守恒定律“很快成为全部自然科学的基石。特别是在物理学中，每一种新的理论首先要检验它是否跟能量守恒原理相符合。”但是，时至那时，原理的发现者

30、们还只是着重从量的守恒上去概括定律的名称，而没强调运动的转换。那到底是什么时候原理才被概括成“能量的转换和守恒定律”的呢？从恩格斯在 反杜林论的一段论述中，可以得到问题的答案。恩格斯说：“如果说，新发现的、伟大的运动基本规律，十年前还仅仅概括为能量守恒定律，仅仅概括为运动不生不灭这种表述，就是说，仅仅从量方面概括它，那么这种狭隘的、消极的表述日益被那种关于能量的转换的积极表述所代替，在这里过程的质的内容第一次获得了自己的权利，”恩格斯这段话发表于 年，他说十年前消极表述日益被积极表述所代替，由此判断，“能量的转换和守恒定律”这一准确而完善的表述应形成于 年或稍后一点。总之，“能量的转换和守恒定

31、律”的三种表述反映了人类认识这一自然规律的历程。这三种表述一种比一种更深刻，一种比一种更接近客观真理。人类正是这样一步一步地认识物质世界的。能量转换与守恒定律的重要性及其发展能量守恒定律至今仍然是力学乃至整个自然科学的重要定律。不过它仍然会发展。年爱因斯坦（，）发表了阐述狭义相对论的著名论文 关于光的产生和转化的一个启发性的观点 中揭示了质能守恒定律，即在一个孤立系统内，所有粒子的相对论动能与静能之和在相互作用过程中保持不变，称为质能守恒 定 律。爱 因 斯 坦 著 名 的 质 能 方 程（）反映了质量与能量之间的联系，指导人们认识核反应的规律，并为人类获得核能提供了理论基础。前沿拓展物理学关

32、于对称性探索的一个重要进展是建立诺特定理。诺特定理指出：如果运动定律在某一变换下具有不变性，必相应地存在一条守恒定律。简言之，物理定律的一种对称性，对应地存在一条守恒定律。例如，运动定律的空间平移对称性导致动量守恒定律，时间平移对称性导致能量守恒定律，空间旋转对称性（空间各向同性）导致角动量守恒定律。上述经典物理范围内的对称性和守恒定律相联系的诺特定理后来经过推广，在量子力学范围内也成立。在量子力学和粒子物理学中，又引入了一些新的内部自由度，认识了一些新的抽象空间的对称性以及与之相应的守恒定律。关于能量守恒定律的最新研究，目前有研究者认为，能量守恒定律需要条件限制，它并不是在任何情况任何时空都是普适的，认为时间平移不变性是能量守恒的条件。还有研究者通过分析能量守恒定律，认为各种形式能量的转换遵循等量转换原则是能量守恒定律成立的基本条件，提出了长期以来物理学界一直把常量等同于能量守恒是对能量守恒定律认识不足。换位思考能量守恒定律对坐标变换的要求，得出能量守恒定律对坐标变换的要求。对于能量守恒定律，还需要人们更进一步的深入认识和研究。参考文献：李艳平，申先甲物理学史教程北京：科学出版社，郭奕玲，沈慧君 物理学史 第版 北京：清华大学出版社，刘筱莉，仲扣庄物理学史南京：南京师范大学出版社，郭振华普朗克与德国物理学的“黑暗岁月”现代物理知识，（）：宝鸡文理学院学报（自然科学版）年