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为什么这个原理在所有的物理学定律中占据着如此优越的地位呢?就此而言有许多琐碎理由。
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首先人们认为,在不承认永恒运动可能性的情况下,我们不能排斥它,甚或不能怀疑它的绝对严格性;当然,我们对这样的前景保持着警惕,我们自己认为肯定迈尔原理比否定迈尔原理要稳妥一些。
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给人以深刻印象的迈尔原理的简单性同样有助于增强我们的信仰。在直接从实验推演的定律中,例如在马略特(Mariotte)定律中,简单性在我们看来似乎反倒成为怀疑的理由。但是,在这里情况不再如此;我们发现,乍看起来毫无联系的元素,它们本身以出乎意外的顺序排列起来,形成一个和谐的整体;我们决不相信,未曾预见的和谐只是偶然性的结果。这就好像我们花费的力气越大,我们赢得的胜利也就越发可贵,或者说自然界愈是小心翼翼地向我们隐藏她的秘密,我们愈加确信从她那里能夺取真正的秘密。
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然而,这些不过是微不足道的理由;为了把迈尔定律作为一个绝对的原理确立起来,必须进行比较深入的讨论。但是,如果人们试图这样做,那么他们就会发现,这个绝对的原理甚至不容易陈述。
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在每一个特例中都可以清楚地看到能量是什么,至少能够给它一个暂定性的定义;但是,要为它找到一个普遍的定义,则是不可能的。
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如果我们力图把这个原理加以十分普遍地阐述,并把它应用到宇宙,那么我们就会看到它化为乌有,也可以说,除了存在着某种依然是常数的东西之外,它什么也没有留下。
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但是,连这句话也有什么意义吗?按照决定论的假设,宇宙的状态是由数目极大的n个参数决定的,我们将称其为x1,x2,…xn。只要已知这n个参数在任一时刻的值,那么同样也就知道了它们对于时间的导数,从而能够计算出这些参数在此之前或之后的时刻的值。换句话说,这n个参数满足n个一阶微分方程。
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这些方程容许有n-1个积分,从而存在x1,x2,…xn的n-1个函数,它们依然是常数。假如我们说存在着某种依然是常数的东西,我们所说的只不过是同义反复而已。我们甚至很难说出,在所有这些积分中,哪一个应该保留能量的名称。
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此外,当把迈尔原理应用到有限系统时,就不能在这种涵义上来理解它。于是人们假定,我们的参数中有p个是独立地变化的,以至于在n个参数和它们的导数之间,我们只有n-p个关系,它们一般是线性的。
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为了简化阐述,假定外力作功之和是零,散发到外界的热量也是零。这样一来,我们的原理的意义将是:
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在这n-p个关系中存在一种组合,其第一个元是恰当微分;然后,根据n-p个关系,这个微分变为零,它的积分便是常数,这个积分被称之为能量。
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但是,有几个参数的变化是独立的,这怎么能够是可能的呢?这种情况只有在外力的影响下才能发生(为简单起见,虽然我们已假定这些力的结果的代数和是零)。事实上,假使这个系统完全与所有外部作用隔离,那么我们的n个参数在给定时刻的值就足以决定该系统在任一后继时刻的状态,倘若我们总是保留决定论的假设的话;因此,我们又回到与上面一样的困难。
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如果该系统未来的状态完全不由它的现在的状态来决定,那么这是因为它还依赖于该系统之外的物体的状态。可是,在确定该系统状态的参数x之间,有可能存在独立于外部物体的这一状态的方程吗?另外,如果我们在某些个例中相信我们能够找到这样的方程,那么这是否不仅仅由于我们无知,而且还因为这些物体的影响太微弱,以致我们用实验检测不到它吗?
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如果这个系统不能被看做是完全孤立的,那么很可能,它的内能的严格精确的表示式将取决于外部物体的状态。再者,我在上面已经假定外功之和为零,如果我们力图使自己摆脱这个有点人为的限制,那么阐述就变得更加困难。
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要在绝对的涵义上阐述迈尔原理,从而必须把它推广到整个宇宙,于是我们发现我们企图避免的困难又呈现在面前了。
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总之,利用日常语言,能量守恒定律只能有一种涵义,这就是存在着一种对一切可能性都是共同的特性;可是,按照决定论的假设,只有一种可能性,从而这个定律不再有任何意义。
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相反地,按照非决定论的假设,它却有意义,即使在绝对的涵义上理解它;它也许是强加在自由上的一种限制。
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但是,自由这个词使我想到,我正在离开主题,正要跑到数学和物理学领域之外的地方。因此,我要自我克制,并在这一整个讨论中将只强调一个印象,即迈尔原理具有足够灵活的形式,足以使我们把我们所希望的几乎任何东西都放入其中。由此看来,我没有意指它对应于非客观实在的东西,也没有意指它仅仅划归为同义反复,因为在每一个特例中,只要人们不企图把它推向绝对,它就具有十分清楚的意义。
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这种灵活性是人们相信它的持久性的理由,另一方面,因为它只有融入更高级的和谐中才会消失,所以我们可以满怀信心地依靠它去工作,可以预先肯定,我们的努力不会白费。
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我刚刚说过的几乎一切都适用于克劳修斯原理。与之不同的是,它是用不等式来表示的。也许人们会说,它与一切物理定律相同,由于这些定律的精确性总是受到观察误差的限制。但是,它们至少自命为一级近似,人们希望用愈来愈精确的定律逐渐代替它们。另一方面,如果克劳修斯原理划归为不等式,那么这并不是我们的观察手段不完善的缘故,而是由该问题的真正本性引起的。
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关于第三编的总结论
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这样一来,力学原理以两种不同的姿态出现在我们的面前。一方面,它们是建立在实验基础上的真理,就几乎孤立的系统而言,它们被近似地证实了。另一方面,它们是适用于整个宇宙的公设,被认为是严格真实的。
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如果这些公设具有普遍性和确定性,而从中引出它们的实验事实反倒缺乏这些性质,那么,这是因为它们经过最终分析便划归为约定,我们有权利做出约定,由于我们预先确信,实验永远也不会与之矛盾。
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然而,这种约定不是完全任意的;它并非出自我们的胡思乱想;我们之所以采纳它,是因为某些实验向我们表明它总是方便的。
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这样就可以说明,实验如何能够建立力学原理,可是实验为何不能推翻它们。
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