力學竟是物理學重要分支？其發(fā)展歷程與衍生含義大揭秘
更新時間：2025-07-31 15:58:22作者：佚名
力學不一定與力有關(guān)
力學在物理學領(lǐng)域占據(jù)核心地位。伴隨著物理學的進步，力學的研究內(nèi)容也在持續(xù)演變。在當代物理學中，部分被稱為力學的領(lǐng)域?qū)嶋H上與力的概念并無直接關(guān)聯(lián)。
Mechanics一詞起源于希臘語，原指與機械或機器相關(guān)的事物。隨著時間的推移，其含義逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯课矬w機械運動本質(zhì)的學科。而由其衍生出的單詞Mechanism，則用來表示機制或機理。
在17世紀，牛頓提出了聞名遐邇的三大定律，這些定律構(gòu)成了經(jīng)典力學的基石。值得注意的是，在牛頓的杰作《自然哲學的數(shù)學原理》中，Mechanics這一術(shù)語的使用頻率極低。
經(jīng)典力學專注于探討物體所受的力、動量和能量，以及這些物理量之間的相互聯(lián)系。以牛頓第二定律為例，其表述為：作用在物體上的外力等于該物體的慣性質(zhì)量與加速度的乘積。在經(jīng)典力學的框架下，力扮演著至關(guān)重要的角色，物體所受的力是決定其運動狀態(tài)的關(guān)鍵因素。鑒于此，將“Mechanics”譯為“力學”是相當恰當?shù)摹?/p>
18世紀，數(shù)學家們創(chuàng)立了分析力學，這一理論以更為基礎的數(shù)學工具重新詮釋了經(jīng)典力學，將牛頓定律轉(zhuǎn)化為等價的數(shù)學表達式，即拉格朗日方程和哈密頓方程。在分析力學的框架下，力的地位不再突出，取而代之的是能量這一核心物理量。
在20世紀，隨著量子力學的誕生，力學這一概念被完全摒棄。在量子力學領(lǐng)域，我們找不到經(jīng)典力學中力的存在，取而代之的是質(zhì)量、能量、動量等核心概念。
在英文中，“Mechanics”這個詞匯與“Force”在意義上并沒有直接關(guān)聯(lián)，并且在現(xiàn)代物理學中，許多被稱為“Mechanics”的學科實際上已經(jīng)不再包含力的概念。于是，一個疑問隨之產(chǎn)生：我們是否還應該將“Mechanics”翻譯為“力學”呢？
Mechanics這一詞匯在歷史長河中經(jīng)歷了諸多變遷，因此要精準地用中文詞匯來詮釋其所有內(nèi)涵，實屬不易。然而，繼續(xù)使用大家普遍接受的“力學”這一術(shù)語，依舊是一種相當合適的選擇。
動力學是經(jīng)典力學的組成部分，專注于探討運動產(chǎn)生的原因，尤其是運動與力之間的相互作用，這一領(lǐng)域在中文中被稱為動力學。在眾多現(xiàn)代英文資料和教材中，"Kinetics"這一術(shù)語已被"Dynamics"所替代。Dynamics主要研究物理系統(tǒng)隨時間推移的變化及其背后的動因。在中文文獻資料里，"Dynamics"依舊被譯作動力學。比如，"Electrodynamics"——研究電磁場隨時間變化規(guī)律的科學，被翻譯為電動力學。然而，在現(xiàn)代物理學領(lǐng)域，導致物理系統(tǒng)變化的原因與力的關(guān)系并不直接，因此，作者提出，將"Dynamics"翻譯為動力學是否恰當，確實值得進一步探討。
引力不是力
量子力學與力無涉，而20世紀物理學的另一項重大突破——廣義相對論——更是明確指出，引力并非是一種力。在物理學的發(fā)展歷程中，對于引力的理解已經(jīng)經(jīng)歷了多次的變革。
Gravitation這一術(shù)語源自拉丁語的Gravitas，意指重量，原本專指地球表面物體的重力現(xiàn)象。隨著牛頓的研究深入留學之路，他揭示了地球上的重力與宇宙中天體間的相互吸引本質(zhì)上是同一種力量，并將其命名為萬有引力。
牛頓的萬有引力定律實現(xiàn)了顯著的成就。它不僅能夠圓滿地闡釋地球上的物體運動gravitation是什么意思，還能準確預測宇宙中天體的運行軌跡。盡管如此，牛頓并未揭示引力的成因，亦未闡明為何引力能夠?qū)崿F(xiàn)超距作用——即為何兩個未接觸的物體之間仍能產(chǎn)生力的相互作用。
20世紀初，愛因斯坦提出了一種全新的引力理論，即廣義相對論。在這個理論框架下，引力被理解為時空的幾何形態(tài)變化，并且這種變化與存在于時空中的物質(zhì)的質(zhì)量和能量緊密相連。引力并非某物體對另一遠距離物體施加了神秘的遙遠影響，而是該物體的質(zhì)量引發(fā)了時空的扭曲，而另一物體只是沿著時空彎曲后距離最短的那條路徑移動。在空間平坦的情況下，兩點之間的最短距離路徑是直線；而在空間彎曲的情況下，兩點之間的最短距離路徑則呈現(xiàn)出彎曲形態(tài)。物體運動軌跡的偏轉(zhuǎn)看似受到一種吸引力的作用，然而實際上，引力并非一種力，而是由于時空的彎曲所引起的，它使得物體的運動路徑發(fā)生了變化。
以地球繞太陽轉(zhuǎn)動這一眾人皆知的實例為例——依據(jù)經(jīng)典力學的理論闡述：太陽所釋放的引力對地球施加影響，促使地球環(huán)繞太陽進行公轉(zhuǎn)，其軌跡呈現(xiàn)橢圓形。但廣義相對論提出了不同的見解：太陽的龐大質(zhì)量導致其周圍的時空發(fā)生彎曲，地球則沿著這一彎曲時空中最短距離的路徑移動，而這路徑恰好形成了一個圍繞太陽的橢圓軌道。因此，并非是那遙遠的太陽在地球上施加了一種力量。引力并非超距離作用gravitation是什么意思，而是時空彎曲的必然產(chǎn)物。既然引力并非單純的力量，那么更恰當?shù)恼f法應當是“吸引相互作用”。引力構(gòu)成了自然界中四種基本相互作用之一。
圖1展示了太陽龐大的質(zhì)量導致其周邊時空發(fā)生彎曲，因此地球沿著這一彎曲時空中最短路徑運行，而這路徑恰好形成了一個環(huán)繞太陽的橢圓軌道。
場是物質(zhì)的根源
在現(xiàn)代物理中，力不再處于中心地位，場卻成為最重要的概念。
提出“場”這一物理概念的先驅(qū)是法拉第。距今一百六十余年前，在劍橋大學物理系的報告廳中，法拉第向世人展示了環(huán)繞磁鐵的磁力線，并首次闡述了磁場的理論。他之所以使用“場”這一術(shù)語，是因為聯(lián)想到農(nóng)場中的田地，而田地在英文中被稱為Field。物理學所描述的場，指的是在空間中的每一個位置都對應著一個特定的物理量值，這如同在農(nóng)田的每一個小坑洼中撒下種子。這個“場”的概念非常生動，自被物理學家首次提出后，便一直沿用至今。
19世紀末，麥克斯韋提出了一個理論，用以統(tǒng)一電磁場的描述，這一理論將電與磁緊密地結(jié)合在一起。根據(jù)這一理論，變化的磁場能夠生成電場，而變化的電場則能夠生成磁場。電磁場的能量以波的形式在空間中傳播，這一現(xiàn)象預言了電磁波的存在。后來，赫茲通過實驗驗證了電磁波的存在。自那時起，物理學家們堅信電磁場真實不虛，場的觀念進而成為了現(xiàn)代物理學的核心模式。
20世紀初，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，這一理論闡明了時間、空間與引力之間的本質(zhì)聯(lián)系，將引力場視為時空結(jié)構(gòu)的彎曲，同時預測了引力波的存在。引力波，即時空彎曲產(chǎn)生的波動，以波的形式自引力源向四周擴散。歷經(jīng)百年，LIGO觀測站成功探測到了宇宙中的引力波。
在20世紀中后期，物理學家們基于量子力學的研究，成功構(gòu)建了量子場論。這一理論提出，每一種基本粒子都與一種特定的量子場相對應，而這些基本粒子正是量子場被激發(fā)后所形成的。換句話說，除了引力之外，所有物質(zhì)及其相互作用都源自量子場。量子場是量子化的，能量的存在是以離散的形式出現(xiàn)的。量子，這是能量最小的單元，它在實驗室中被發(fā)現(xiàn)是構(gòu)成基本粒子的。比如，光子，它是電磁相互作用的傳播者，同時也是電磁場的量子，當電磁場被激發(fā)時，光子便產(chǎn)生了。再比如，膠子，它是強相互作用的傳播者，也是膠子場的量子。不僅限于傳播那些參與相互作用的粒子，構(gòu)成物質(zhì)的基礎粒子同樣是由量子場被激發(fā)而形成的。以電子場為例，它一旦被激發(fā)便會產(chǎn)生電子；同樣，夸克場被激發(fā)后則會生成夸克，以及其他類似的粒子。
真空并非真的空
最后來看一個名詞本身不能反映物理事實的例子——真空。
真空，即一種完全無物質(zhì)占據(jù)的空間形態(tài)。但依照量子場論的觀點，場的存在意味著絕對真空是不可能實現(xiàn)的。即便我們將空間中的所有物質(zhì)移除，量子場依然存在。量子場存在波動，這就意味著空間中仍有微小的能量存在。由于能量與物質(zhì)是相互等價的，因此自然界中并不存在真正的絕對真空。真空狀態(tài)應當被視為物質(zhì)的基本狀態(tài)，也就是能量最低的狀態(tài)，盡管這種能量并非零。
作者簡介
陳少豪，畢業(yè)于清華大學，獲得物理學學士學位，并在該校繼續(xù)深造，取得原子分子物理博士學位。他曾在科羅拉多大學博爾德分校擔任博士后研究員，此后，他又在路易斯安那州立大學和波士頓大學工作。目前，陳少豪在麻省理工學院工作，專注于高性能計算領(lǐng)域的研究。
本文受科普中國·星空計劃項目扶持
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