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第3章 自然力

一、经济学视角下自然力的含义

(一)自然力含义的宽派和窄派之说

关于自然力的含义,理论界有宽派和窄派之说。最早给自然力下定义的是法国古典经济学家让·巴迪斯特·萨伊,他把自然力归属于天然物质,与通常所说的人造物质相区别。他的自然力定义属于窄派。与萨伊的定义比较一致,甚至把自然力限定得更加狭窄的是约翰·穆勒,他把自然界的天赐之物分为两类:自然原料和能够提供动力的自然力,如风力、水力等等。对自然力给予最宽泛界定的第一人是卡尔·马克思,他把自然力归结为人自身的自然力和人周围的自然力。人自身的自然力,包含劳动自然力和社会自然力两方面内容:劳动自然力即“人自身作为一种自然力与自然物质相对立。为了在对自身生活有用的形式上占有自然物质,人就使他身上的自然力——臂和腿、头和手运动起来。当他通过这种运动作用于他身外的自然并改变自然时,也就同时改变了他自身的自然,他使自身的自然中蕴藏着的潜力发挥出来,并且使这种力的活动受到他自己的控制”。社会自然力即“由协作和分工产生的生产力……它是社会劳动的自然力”。人周围的自然力则为天赋自然的自然力,即与生活紧密相关的生活自然力和与生产密切相关的生产自然力。从马克思对自然力的定义我们看到,他对人周围的自然力,即天赋自然力的见解是独创性的。从马克思的著述中,我们还可以看到,他不仅关注自然力问题,而且对自然力问题进行了深入的研究,提出了尊重自然、重视自然的“自然生产力”思想,视天赋自然力为自然生产力。

(二)自然力的自然资本之说

当代一些学者,把自然力概括为自然资本,以此与人造资本——机器、道路、港口、机场相区别。如英国经济学家埃里克·诺伊迈耶在《强与弱》一书中指出:“能提供效用能力的东西被称为资本,资本在这里的定义是广义的,作为一种提供目前和将来(潜在)丰富的服务存量,自然资本是自然的总体——资源、植物、物种和生态系统——能够提供人类物质和非物质的丰富的服务。人造资本是传统上被人们归入资本的东西,即工厂、机械、道路等等……把大自然说成是自然资本在可持续发展中很普遍。”

(三)自然力是资源、环境和生态的代名词

当代社会科学工作者中绝大多数人认为自然力就是自然资源、生存环境及生态系统的代名词,也有少数的经济学研究者及大量的自然科学工作者如物理、化学、生物学家,视自然力为自然物质的机能。

二、物理学视角下自然力的含义

(一)力的定义和作用效果

在物理学中,把力定义为物体和物体之间的相互作用。力的作用所产生的效果,是使受力物体发生形变,或受力物体的运动状态发生变化(即产生加速度)。

(二)力的物质性

力是物体间的相互作用,一个物体受到力的作用,必有其施力者,施力者可以通过物体之间直接接触而使受力者受到力的作用,如物体之间由于互相拉、推发生了形变而产生弹力。施力者也可以不通过直接接触而通过“场”使受力者受到力的作用,如地球通过重力场对物体施以重力作用。总之,力的作用是离不开施力者的,这叫力的物质性。

(三)力的相互性

力是物体间的互相作用,也就是说有受力者,必有施力者。同时,施力者必然受到受力者的力的作用。如果把受力者受到的力叫做用力,则施力者所受到的力便叫反作用力。可见,力是成对的,即有作用力必有反作用力,这叫力的相互性。

(四)力的矢量性

物体受到力的作用所产生的效果,不但与力的大小有关,还跟力的作用方向、作用位置有关。所以,力的大小、方向和作用点(即作用位置)叫力的三要素,力是矢量,力的合成和分解完全遵从矢量平行四边形法则。

三、力的种类

力按表现来分类,有万有引力、库仑力、洛仑兹力、核力、重力、安培力、磁场对磁铁的作用力、分子间力、液体压力、气体压力、浮力、弹力、静摩擦力、滑动摩擦力、气体阻力和液体阻力等十多种。但是,到目前为止人们认识到,自然界的最基本的相互作用只有四种:引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。基本相互作用为物质间最基本的相互作用,常称为自然界四力或宇宙基本力。迄今为止观察到的所有关于物质的物理现象,在物理学中都可借助这四种基本相互作用的机制得到描述和解释。

(一)引力相互作用

引力相互作用简称重力或引力,是四个基本相互作用中最弱的,但是同时又是作用范围最大的(不会如电磁力一样相互抵消)。但当距离增大,引力相互作用的影响力就会递减,两物体间的引力相互作用大小与它们之间距离的平方成反比,与它们质量的乘积成正比。不像其他的相互作用,引力可以广泛地作用于所有的物质。由于其广泛的作用范围,引力可以解释一些大范围的天文现象,比如:银河系、黑洞和宇宙膨胀以及基本天文现象,例如行星的公转。还有一些生活常识,例如物体下落、很重的物体好像被固定在地上、人不能跳得太高等。

万有引力是第一种被数学理论描述的相互作用。在古代,亚里士多德建立了具有不同质量的物体是以不同的速度下落的理论。1590年前后,伽利略用试验推翻了这个理论,如果忽略空气阻力,那么所有的物体都会以相同的速度落向地面,并在理论上进行了推证。1687年,艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中,全面阐述了他的引力理论,进而引申出万有引力定律。1915年,阿尔伯特·爱因斯坦完成了广义相对论,将引力用一种更精确的方式描述(时空几何),并指出引力是空间与时间弯曲的一种影响。

(二)电磁相互作用

电磁相互作用,是一种相当强的作用力,在宇宙的四个基本的作用力(引力、电磁力、强作用力、弱作用力)中,它的强度仅次于强作用力。两物体间的静电作用力大小与它们之间距离的平方成反比,与它们带电量的乘积成正比。当进入到原子的尺度时(0.1纳米),会发现所有的物质都是由不同的原子构成的,而原子是由不同的原子核与电子构成的,带负电的电子与带正电的原子核(由质子与中子构成)经由电磁作用紧密地结合在一起。但在原子的尺度时,必须用量子化的电磁场来描述,这种描述法,就是把两粒子之间的作用看成是在交换光子。其实光就是一种电磁波,量子化的电磁作用也就是光电作用。这种描述在20世纪50年代就已发展得相当完善了,被称做量子电动力学,其代表人物有费因曼、施温格、朝永振一郎、戴森等人。

(三)强相互作用

为了方便了解强相互作用,下面简要介绍一点物质结构知识。一切实体物质均由分子、原子构成,原子的大小尺度约为10-10 m(即0.1纳米),分子由一个或多个原子组成。原子由原子核和原子核外的电子组成,原子核比原子小得多,原子核的大小尺度约为10-14 m。原子核由中子和质子组成,质子带正电,中子不带电,中子和质子的大小尺度约为10-15 m。中子、质子由夸克(也称为层子)组成,夸克的大小尺度约为10-18 m。迄今为止,一共发现了6种夸克,它们分别是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。实验表明,质子还包含有电中性的结构,这就是“胶子”。在质子和其它粒子中,胶子把夸克胶合在一起。胶子将夸克连在一起,强子就是这些连接的产物,质子属于强子的一种。

强相互作用是作用于强子之间的力,是所知四种宇宙间基本作用力中最强的。强相互作用不像引力和电磁相互作用那样是长程力,而是短程力,但是它的力程比弱相互作用的力程长,约为10-15 m,大约等于原子核中核子间的距离。核子间的核力就是强相互作用,它抵抗了质子之间的强大的电磁力,维持了原子核的稳定。现在物理学家认为强相互作用的产生与夸克、胶子有关。

(四)弱相互作用

弱相互作用仅在微观尺度上起作用,力程最短(大约在10-18 m范围内,比强相互作用的范围小),强度在四种相互作用中排第三位。由于弱相互作用比强相互作用和电磁相互作用的强度都弱,故有此名。弱相互作用与电磁相互作用虽然很不相同,却又有相似之处。弱相互作用流与电流一样是守恒的,它们之间还有以对称性相联系的关系。在20世纪60年代末,有人提出了弱作用和电磁作用统一的规范理论。标准的弱电统一规范模型与所有低能的弱作用实验结果一致。

四、力是一个系统

一般来说,作用在物体上的力不仅仅只有一个,而是有众多个,这些力总称为力系。外界作用在该物体上的力称为外力,众多外力总称外力系;物体内部各部分之间的相互作用称为内力,众多内力总称内力系。经典力学主要研究的是物体在力系作用下,在惯性参照系中的静止或运动的问题。

(一)力系的简化与平衡

在经典力学中,具有一定质量而几何尺寸可以忽略不计的物体称为质点。质点是一个从实体中抽象出来的力学简化模型,在客观世界中质点是不存在的。在一个力学问题中,能不能把一个物体看做一个质点,这取决于物体的尺寸和那些对于所研究的问题具有最重要意义的空间尺度(运动区域的大小)相比是否足够小,同时还取决于所研究的运动特性。研究质点的力学称为质点力学。一般来说,物体可以看成是由若干个质点组成的质点系。如果质点系中任何两个质点之间的距离在整个运动过程中始终保持不变,这种模型称为刚体。任何一个实际物体受力作用时都要变形,即物体中任意两点间的相对位置都要变化,但是,如果物体的变形很小,在一个给定的力学问题中,忽略这种变形不会引起显著的误差时,就可以把这物体看成刚体。否则,称为变形体。研究刚体的力学称为刚体力学,研究变形体的力学称为变形体力学。

用一个等效的简单力系来代替作用在刚体上的复杂力系称为力系的简化。如果作用在刚体上的力系满足平衡条件(即力系的合力为零,并且力系对任意点的力矩的矢量和为零),此时力系不改变刚体的原有运动状态,则称为力系的平衡。如果力系中各力的作用线都位于同一平面,则称此力系为平面力系。如果力系中各力的作用线都同空间某一直线平行,则称此力系为平行力系。对于这两种力系简化的结果往往是一个力再加上一个力偶(大小相等方向相反、不共线的两个平行力组成的力系称为力偶。力偶没有合力,它不能和一个力等效,也不能用一个力来平衡。力偶不能使物体产生平动,但能使物体转动)。如果力系中各力的作用线相交于同一点,则称力系为汇交力系,它和通过这个点的一个力等效。

(二)力学系统平衡的稳定性

处于平衡位置的某一力学系统,在受到外力系的微小扰动后,仍能处于平衡位置的性质,称为力学系统平衡的稳定性。当一个力学系统(或机械系统)受外力系的作用而处于平衡时,受到外界的微小扰动后,系统是趋向于回复到平衡位置,则平衡是稳定的;系统越来越远离平衡,则平衡是不稳定的。1644年托里拆利发现,一个物体系统当其重心处于最低位置时,这系统是稳定的。1788年拉格朗日发表下列定理:如果一个保守系统的势能在某个平衡位置是个孤立的极小值,那么这系统在这平衡位置是稳定的(这个定理后来被狄利克雷所证明)。1892年里雅普诺夫得到上述定理的一部分逆定理:若保守完整系统的势能在某平衡位置上是个极大值,则这平衡不稳定。切塔耶夫把上述定理加以扩充:若保守完整系统的势能在某平衡位置无极小值,则在这位置的平衡是不稳定的。

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