動量能能像動能一樣「隱藏」而不被人眼所見嗎?

2020-12-04 科技領航人

在具有宏觀部件的常規機械系統中,動量不能"隱藏",人眼是可見的。但在其他系統中,動量可以隱藏而不被人員所見。例如,在電磁系統中,動量可以轉變成電磁場,在大多數頻率下,電磁場是人眼所看不到的。因此,動量可以在電磁場中"隱藏"變得人眼不可見。讓我們更深入地探討這個主題。

每個孤立的系統都遵守能量守恆定律,該定律規定,如果不將能量提取到外部,或從外部將能量輸入系統,其總能量將及時保持不變。例如,考慮兩個冰球在冰上相互滑動。如果你在兩個冰球碰撞前求和了動能(運動)能量,你會發現它們等於兩個能量在碰撞後的總和。

事實上,我們可以利用節能和其他一些信息來預測在這樣的簡單碰撞中會發生什麼。但是現在假設我們以相同的速度直接向對方發射兩個冰球,在發射之前在冰球的外側圓周上塗上膠水。這會發生什麼事呢?當然,當冰球接觸時,它們會粘在一起,並且瞬間停止,因此兩冰球的動能為零。

這意味著,雙圓系統開始時的總動能大於零,但總動能在結束時是零(至少根據人的眼睛)。膠水使得系統違反了節約能源法嗎?不。如果你仔細分析這個事件,並測量所有你能想到的,你會發現兩個冰球的熱能在碰撞後增加與似乎消失的動能(忽略冰的摩擦)完全相同的量。因此,宏觀動能已轉化為熱能。只要我們把熱量作為促進總能量的東西之一,能量定律仍然有效。這種碰撞稱為無彈性碰撞。

但是什麼是熱?在原子水平上,我們發現較熱的物質的原子振動更快,以更高的速度移動。因此,熱能只是微觀、隨機移動粒子的動能。當兩個帶膠水的冰球粘在一起時,它們的動能並沒有真正轉化為一種叫做"熱"的神秘事物。它們的宏觀有序動能(在冰球中所有的原子在飛馳穿過冰時都隨著冰球的移動而有序地排列)只是被轉換成微觀的隨機動能。

宏觀的有序動能對人眼來說是顯而易見的(我們看到冰球在移動),但微觀的隨機動能對人眼是不可見的(我們不能直接看到原子在移動)。從這個意義上說,無彈性碰撞導致一些動能以熱的形式從人眼中"隱藏"。如果我們只包括人眼可見的能量形式,膠水似乎就破壞了能量守恆規律。

但是,如果我們包括隱藏的動能(熱),能量守恆規律仍然適用。現在還有另一個定律叫做動量守恆定律。它指出,在事件發生之前,單獨系統的總動量必須等於事件發生後系統的總動量。這個定律法律與能量守恆定律有什麼區別?不同的是,能量只是一個數字,而動量有一個方向。因此,動量守恆告訴我們:兩個冰球最初向右移動碰撞(例如,因為一個速度更快,超過另一個)必須在碰撞後向右移動。兩個球的總動量在開始時是向右的,所以最後一定是右邊。

能量守恆定律不能告訴我們這一點,因為它對方向隻字不提。或者類似地,如果一個向東移動的冰球接近另一個向北移動的冰球,總的勢頭在東北方向。動量守恆定律告訴我們,碰撞後,總的勢頭必須仍然在東北方向。

由於動量遵循與能量一樣的守恆規律,並且動能可以以微觀運動的形式不被人眼所見,因此自然想知道動量是否可以被隱藏。雙圓膠系統在碰撞時是否將動量轉換為某種隱藏形式,因此,一些動量似乎"失去"不被人眼覺察?不,答案是否定的,原因是因為動量有方向性。

在無彈性碰撞後,原子確實擺動得更快,但原子在原位擺動的總動量始終為零。簡單地說,當原子運動是隨機的,對於每個向左移動的原子,則對應一個向右移動原子,這樣它們的動量方向性始終為零。由於動量描述運動的方向性,因此簡單熱運動的動量為零。為了使動量不為零,原子必須或多或少地向同一方向移動。

但是,當所有的原子都在同一方向上移動時,宏觀物體本身正在某處移動,這在人眼中是可見的。由於動量是定向的,它不能以隨機原子運動的形式隱藏而不被人眼可見。因此,即使我們用膠水塗抹在冰球的外圓周上,使其粘住,碰撞之前的總可見動量也會等於碰撞之後的總可見動量。這是有道理的,因為如果兩個球從相反的方向以相同的速度相向移動(並且具有相同的質量),它們之前的總動量為零,那麼它們粘在一起後的總動量為零。

但是,如果系統有非常小的組成單元,肉眼看不見,並且這些單元可以進行有序運動,則動量可以轉移並隱藏在這些小單元中。例如,如果網球被灰塵覆蓋,如此小,你看不到它們,當網球被擊中,灰塵會隨機飛散,並帶走一些一些動量。如果我們不注意到灰塵,並且沒有將其包含在我們的計算中,我們會發現,在碰撞後,一些動量會隱藏起來,導致系統動量不守恆。

理察·費曼(Richard Feynman)在他的《費曼物理學講座》中指出:

「還有隱藏的動量形式,也許是熱動量嗎?」答案是,由於以下原因很難掩蓋動量。如果將速度的平方求和,則人體原子的隨機運動將提供一定量的熱能。此總和將是一個正結果,沒有方向性。熱量是否存在,無論人體是否整體運動,並且熱量形式的能量守恆不是很明顯。

另一方面,如果將具有方向的速度相加,並且得出不為零的結果,則意味著整個身體在某個特定方向上存在漂移,並且很容易觀察到這種總動量。因此,不會有隨機的內部損失動量,因為身體只有在整體移動時才具有淨動量。因此,作為機械量的動量難以隱藏。但是,例如,動量可以隱藏在電磁場中。

讓我們超越機械系統。諸如光或無線電波之類的電磁波帶有動量。由於除了從紅色到紫色的狹窄顏色範圍之外,所有電磁波對人類都是不可見的,因此動量可以隱藏在電磁場中。實際上,電磁波所攜帶的動量非常小,以至於您必須使用非常靈敏的儀器進行測量,但原則上始終存在。

例如,如果您打開雷達槍,無線電波會從槍的前端發出,並帶有動量。由於動量守恆,因此雷達槍本身在打開時必須在相反的方向後坐裡。該後坐力通常太小而無法察覺。但是為了論證,假設我們有一個巨型雷達槍,它發射大量無線電波。由於無線電波對於人眼是不可見的,因此我們所看到的只是槍在打開時向後跳,明顯違反了動量守恆(如果僅包括可見動量)。因此,我們將得出結論(正確地如此),那就是必須在某處隱藏動量。這樣,動量可以被「隱藏」在電磁場中。雖然,它實際上僅僅只是對人眼不可見隱,我們可以用天線檢測無線電波。

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