我们花了大量的时间讨论守恒的作用力;那么非守恒的呢?我们要比平常更加深入,去论述根本不存在非守恒的作用力!实际上,在自然中所有基础的作用力似乎都是守恒的。这不是牛顿定律的产物。其实,牛顿自己认为,作用力可以是非守恒的,就像摩擦力。我们说像摩擦力,采用的是现代的视角,所有的作用力,在最基础的部分,粒子之间的作用力是守恒的。
如果我们分析一个系统,比如,在图片上看到的球状星团,由上千个恒星交互,那么整体势能的公式就是简单地把一个元素加上另一个,也就是,把所有的恒星结对相加,动能是把所有单独恒星的动能相加。但是,作为一个整体,球状星团在太空中也会移动,如果我们离它很远,看不到细节,可以把它当作一个单独的物体。如果作用力应用其上,某些作用力或许最终会作为一个整体促使它向前,我们会看到整个物体的中心在移动。另一方面,可以说某些作用力,“浪费”在了内部“粒子”的动能或者势能的增加上。这些力的作用扩张了整个星团,让粒子运动得更快。整个东西的全部能量是守恒的,但是从外面用裸眼观察,是看不到内部运动的,而只会是整个物体运动的动能,就好像它是一个单独的粒子,动能看起来并不守恒,这是由于缺乏对我们所看到的东西的理解所导致的。它证明:世界的全部能量,动能加上势能,是一个常数,只要我们靠得足够地近。
当我们研究原子级别的细节时,把一个东西的整体能量拆分成两个部分,动能和势能,并不容易,像这样的拆分是没有必要的。我们总是可以说,这个世界的动能加上势能是恒定的。因此在这个世界的内部,全部的动能加上势能是恒定的,如果这个“世界”是一片儿孤立的材料,能量是守恒的,如果没有外部的作用力。但是正如我们所见,一个东西的某些动能和势能或许是内部的,比如,内部的分子运动,在这个情形中,我们注意不到。我们知道,在一杯水中一切都在运动,在所有的时刻,所有的部分,所以在内部有一个确定的动能,我们通常不会关注它。我们留意不到原子的运动,它会产生热,所以我们不会称它为动能,但其实热能主要是动能。内部的势能或许也是这样,比如,化学能:当我们燃烧汽油时,能量被释放,因为在新的原子组合中的原子的势能比在旧的组合中的要低。严格来讲,我们没法把热能当作是纯粹的动能,因为有一点儿势能掺了进来,所以我们把它们两个放在一起,我们说,在一个物体的内部,全部的动能和势能是部分的热能、部分的化学能,等等。不管咋说,所有的这些内部能量的不同形式有时会被认为是“丢失”的能量,在上面的情形中;当我们学习了热力学,一切都会变得明朗。
举另一个例子,当摩擦力存在,说动能有损失是不对的,虽然滑动的物体停止,动能看起来是损失的。动能没有损失,因为内部的原子以比之前更大数量的动能在运动,虽然我们看不到,但是可以通过温度测量它。如果我们忽略热能,能量守恒理论看起来会是错的。
还有另一种情况,能量守恒看起来是错的,当我们只研究系统的一部分。通常,能量守恒理论看起来会是错的,如果某个东西在与外面的某个其他东西交互,而我们没有考虑这个交互。
在经典物理中,势能仅包含引力和电,但是现在我们有核能和其他能量。比如,光,在经典理论中,它有一个新的能量形态,我们也可以把光能想象成一个光子的动能,我们的公式 14.2 仍然是正确的。