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标  题: 力学的两种定义及其与物理学的关系
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Aug 14 17:21:13 2005), 转信

               力学的两种定义及其与物理学的关系
              
                         朱如曾
            
            （中国科学院力学研究所，北京 100080）

 　在《力学与实践》上发表的中国力学学会的文章，对力学的重要性及今后的任务
作了很好的评述。笔者只是想对该文所提到的力学范围问题上的分歧和力学与物理
学之间的关系谈一些看法。　

1 力学的两种不同定义

　　文[1]说：“有人看见力学两个字便将量子力学、电动力学、统计力学等学科划
归力学，这是不对的，它们是属于物理学科的。这些学科名字上冠以力学两个字，
只能说明力学在历史上起过巨大影响”。　

　　其实，把量子力学、电动力学、统计力学等学科划归力学学科，并不是望文生
义，而是由于采用了一种比宏观意义下的力学更为普遍，但现已较少使用的力学定
义。这些学科之所以冠以力学两个字，不是因为它们受到力学的外来的历史影响，
而是因为它们确实符合本来意义下的普遍的力学定义。为了说清楚这一点，本文表
述两种不同的力学定义，阐明其合理性。一旦注意到存在两种定义，则以往的有关
分歧将可大大缩小，甚至消除。　

　　力学的第一种定义是谈镐生教授所强调的[2]，力学是研究物质运动基本规律的
科学，即研究运动和力的科学。这是普遍意义下的力学，也是力学的本来含义，本
文称它为“普遍力学”。谈教授认为它应包括古典力学、相对论力学、量子力学、
电动力学和统计力学，根据以上定义，可以认为力学和数学的关系如同π字的两条
腿，它们支撑了整个物理科学(即数学以外的自然科学)，从而形成基础科学的π结
构图象[3]。这第一种定义与文[4]的定义基本一致，也与著名科学家冯元祯教授的
看法一致，并得到谈庆明教授的支持[5]：冯教授把牛顿力学、量子力学、相对论力
学和统计力学等划为力学，并强调力学是研究力和运动的学科。“π结构图象”还
得到白以龙教授的赞同[6]。　

　　笔者认为，“普遍力学”按定义还应包括量子场论，即量子电动力学、量子色
动力学、弱电统一理论和量子超弦理论（尚待实验证实）。理由有二：一是“运动
”一词应包括物质基本形态的转换（实际上，从相对论质能关系看，经典电动力学
已描述了电磁场这一物质形态与带电物质形态之间的转换），而“力”应包括自然
界一切相互作用力，目前认为基本的是4种力（强相互作用、弱相互作用、电磁相互
作用和万有引力相互作用，而量子超弦理论若被实验证实，便统一了这4种力）。概
念的一致性要求“普遍力学”应包括以4种基本相互作用和基本粒子形态转换为对象
的量子场论。二是基础科学的π结构图象也要求作为π字的一条腿的“普遍力学”
包括量子场论。　

　　“普遍力学”又称为理论物理学。既然如此，有什么必要别出心裁，搞一个“
普遍力学”的名称呢? 下面先就“普遍力学”各学科的来历和内容具体说明“普遍
力学”名称的合理性，在引进另一定义——宏观力学之后，再就“普遍力学”与宏
观力学之间的关系进一步阐明在理论物理这一名称之外，记住“普遍力学”名称的
积极意义。　

　　人们曾试图将牛顿力学应用于微观领域但遇到困难，于是着手修正它，使之既
适用于微观领域，而又在宏观条件下能以牛顿力学作为其足够精确的近似形式。这
样修正后的形式称为量子力学，它当然仍是力学，正像几何光学是光学，比几何光
学更为精确，从而适用面更宽的波动光学不会不是光学一样。若量子力学只是名义
上，而非实质上的力学，科学史何以称牛顿力学为“古典力学”呢? 同样，以牛顿
力学为低速和弱引力场近似形式的狭义和广义相对论当然也是力学。　万有引力定
律和广义相对论的引力理论分别是牛顿力学和广义相对论中不可分割的力学规律，
那么讨论电磁力变化规律和带电或带电流物体宏观机械运动规律的经典电动力学又
怎能不是力学呢？更为精确的量子电动力学以及其他量子场论当然无疑也是力学了
。既然它们都是力学，这就说明了普遍力学的定义是合理的，早就被科学史承认了
的，本来意义下的力学定义。这也就是理论物理各分支学科的名称大都冠

以“力学”二字的根本原因。

　　钱学森教授曾指出[7]：“从严密的综合科学体系讲，最基础的是两门学问。一
门物理，是研究物质运动基本规律的学问。一门数学，是指导我们推理演算的学问
”。这里“物理”既指基本规律，当然，就是理论物理，即谈教授的普遍力学了。
所以两位科学家关于普遍力学基础性的见解是完全一致的。　

力学的第二种定义是：力学是研究物质宏观机械运动的学问。这是狭义意义下的力学，本文称它为“宏观力学”（这里，“宏观”指远大于原子、分子大小的尺度，所以它包括了近年来所说的“宇观”在内，事实上，力学确已伸向宇观现象，如星系旋臂结构研究等）。国际理论和应用力学大会的力学和七大基础学科（数、力、理、化、天、地、生)中的力学，均是“宏观力学”的简称。　

　　宏观力学包括一般力学、固体力学和流体力学等分支学科及交*学科，是为力学界所公认的，但关于量子力学、电动力学、统计力学和相对论力学是否属于宏观力学的问题，说法很不一致。文[1]认为，“从19世纪末开始，力学与物理学有了明确的分工，力学研究宏观现象，物理研究微观或宇观现象”，所以这些学科都不属于宏观力学，而在文[5]中，钱学森教授则认为宏观力学“包括相对论，但它不包括量子理论”。　

　　上面已指出，相对论力学、量子力学、电动力学和统计力学与牛顿力学一样，都属于“普遍力学”，它们是所有自然科学的共同基础，也都是当代宏观（包括宇观在内）力学的重要基础。但是笔者认为，不能因此而认为它们都属于宏观力学，否则就可以因化学以量子力学为基础而认为量子力学属于化学，或化学包括量子力学了；这恐怕连化学家也不会承认的。在宏观力学的上述五门基础中，只有牛顿力学和相对论力学是宏观力学之所以被称为宏观力学的原因，所以可以说这两门力学属于宏观力学，而其余三门则以称为宏观力学的基础为宜。　

　　需要说明，宏观力学确实以相对论、量子力学、电动力学和统计力学为重要基础。相对论作为宏观力学的基础，这不仅由于“宏观”应包括目前常说的“宇观”（如宇宙爆炸、宇宙膨胀，星系形成和演化等动力学问题）在内，就是在不包括宇观的那个狭义的宏观范围内，相对论也是不能被排除的，因为强引力场中的狭义宏观机械运动（如中子星的内部及附近）以及准静态弱引力场中的高精度要求（如水星等行星轨道近日点的进动现象）都要用广义相对论。宏观力学若不采用电动力学中的洛仑兹力公式和电磁场的变化方程，以及材料本构关系（或内参量、细、微观方程），也不能完整描述有关的宏观机械运动；　本构关系等等方程，虽然目前大多*经验、半经验或恰当的模式假设来解决，但随着实验和工程精度要求的提高和人类对自然界统一性的不断追求，最终还是要求助于量子力学和平衡、非平衡统计力学，并发展非平衡统计力学方法来彻底解决。　

　　任何学科都是从无到有，内容不断充实和深化，范围不断变化的，宏观力学也不例外，正如郑哲敏等教授所指出[8]：宏观力学“过去建立在牛顿定律和经典热力学的基础上，现在则扩大到量子力学描述的微观层次”。固体力学已明确地打出了宏、细、纳、微观力学的鲜明旗帜固然如此，流体力学、天体力学等其它分支也无不如此，并且研究范围已扩大到宇观。例如2.19K以下液氦（HeII）的宏观流动表现出宏观量子效应，即使对于普通的流体，其宏观性质也密切依赖于由量子力学所决定的分子作用势、甚至内部能级结构；恒星的演化结局取决于总质量所决定的引力与压力的平衡，这是宏观力学问题，但白矮星和中子星中的压力却由相对论电子或中子气的量子统计结果给出。又如：星系旋臂结构的力学研究已明显属于宇观范围。再如宇宙膨胀动力学和天体演化动力学与基本粒子的演化有关，这就还需要以量子场论为基础。所以宏观力学植根于普遍力学的面正在日益增宽。　

　　乍看起来，上面所引证的内容似有占物理学的领地为宏观力学所有之嫌疑，对此，可以借用诺贝尔物理奖得主劳厄的一段话来加以澄清：“物理学总是跟它的邻近学科天文学、化学和矿物学密切相关的。它们同物理学的分界只能用相当表面的区别来表征......因此这些分界常常变化移动。” 并说，“物理学家在21世纪又开始关心晶体理论，否则就得听任矿物学家来处理了”[9]。不言而喻，矿物学家若用量子力学来处理，将产生出量子矿物学。如今宏观力学家从宏观力学的角度出发，用量子力学来处理固体等，当然就产生出量子固体力学等宏观力学的分支学科了。正象化学家用量子力学处理原子、分子结构而产生出量子化学，从而使化学的面貌大为改观，牛顿力学和相对论使天文学大为改观一样，量子力学、相对论力学将大大改变宏观力学的面貌，这是人类的求知欲和科学发展的必然趋势。　

　　顺应这一发展趋势，及时唤醒并记住理论物理的本来名称——“普遍力学”，这对于宏观力学的当前研究和未来发展都具有积极的意义。因此谈镐生教授指出：“作为一个力学工作者，在工作上可以集中研究某一领域中的现象。但在观念和认识上，则应该对传统的和新兴的力学范畴都争取有一定的认识。应该看到力学的整个领域。看到实际上力学和数学一起，形成物理科学的基础，物理学的两根主要支柱(笔者认为，即π结构)。一切物理现象，都在力学概念的基础上，通过数学的渠道，取得深入的认识。[2]”这里“力学”指普遍力学，“集中研究某一领域中的现象”对我们而言主要指观力学中的现象。基于对普遍力学与宏观力学之间关系的深刻认识，谈教授提出了“基础力学”分支学科这一名称[10]，已得到科学界的承认，并设立了博士点，培养了不少博士生。这一增进普遍力学与宏观力学之间联系的举措，对促进宏观力学的发展必将产生深远的影响[10]。　


2 力学与物理学的关系

　　普遍力学就是理论物理学，属于物理学的基础部分，这一关系已十分清楚。但是实际上既是基础学科，又是技术学科的宏观力学，在作为独立的基础学科的资格问题上，往往存在混淆：现代宏观力学以理论物理学中的牛顿力学、相对论、量子力学、统计力学为基础，乍看起来它不能与物理学科并列，而只能是物理学的子学科。对这一问题的最好回答是提出下述反问：化学以量子力学和统计热力学为主要基础，为什么它可以与物理学并列呢? 天、地、生以数、力、理、化为基础，它们又为什么可以与理、化、数并列呢?

　　实际上，基础学科的基础性是相对于各类自然现象和有关的工程技术而言的，并不要求它们是最彻底的基础；基础学科之间的并列性并不表示它们之间没有彼此的逻辑依赖性，并列性之依据主要在于研究物质世界时看问题的角度之并列性以及所包含的问题的质和量之多，足以使它们各构成一个完整、系统的研究领域。宏观力学着眼于物质的宏观机械运动，这不失为研究物质运动的一个重要角度。文[1，6，8]和上文阐明了宏观力学的系统性、完整性和基础性，充分表明现代宏观力学已发展到完全可以像化学等其它基础学科一样与物理学并列的程度，只是人们对现代力学的内容了解不够，或虽然有所了解，但对于由缓慢的量变积累而引起的质变，在认识上往往表现出Thom突变理论中的滞后性规律，所以至今仍有人不承认宏观力学相对于物理学的独立性。这并不奇怪，事实上许多我们今天看来是理所当然的学科，如应用数学、理论物理等，它们的分支学科地位当初都是经过许多优秀学者的奋斗才得到承认的。19世纪末，当时处于世界物理学中心的德国大学里，开始设置理论物理学教授的席位。普朗克后来回忆说，这种职位曾经被周围的人视为怪事：“怎么，物理学还有理论?” （物理学一直被认为是实验科学）。今天为使宏观力学的独立的基础学科地位被普遍承认并得到巩固，我们力学工作者应当一方面做好研究工作，另一方面学习谈镐生教授倡导力学基础性的精神[11]，继续大力宣传宏观力学在自然科学体系中的地位和作用。　

　　笔者感谢傅裕寿教授的有益意见。　

参考文献

1 中国力学学会. 力学——迎接21世纪新的挑战. 力学与实践，　1995，17(2)：1～18

2 谈镐生. 力学和它的发展. 力学学报，1978，(3)：242～250

3 谈镐生. 关于力学学科的基础性和现代化，力学情报，1978，　(1)：130～134

4 苏联百科词典. 北京：中国大百科全书出版社，1986，183


5 谈庆明. 关于“力学——迎接21世纪新的挑战”一文的讨论，　力学与实践，1995，17(4)：1～12

6 白以龙. 力学在现代自然科学和工程中的作用，中国科学基金，　1993，7(3)：171～174

7 徐行. 自然科学概要. 北京：宇航出版社，1988，8

8 郑哲敏，周恒，张涵信，黄克智，白以龙. 21世纪的力学发展趋势，力学进展，1995，25(4)：433

9 劳厄 M V. 物理学史. 北京：商务印书馆，1978，8

10 谈镐生. 力学的展望——介绍“基础力学”，中国力学学会　 第二届理事扩大会论文集，1982

11 朱如曾，谈镐生. 中国现代科学家传记(2). 北京：科学出版社，　1991，70～85



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