力学(Mechanics)是物理学中最重要的分支。随着物理学的发展,力学的内容不断更新变化。现代物理中,有些以力学为名的学科甚至与力没什么关系。
Mechanics这个词源自希腊语,本意是指与机械或机器(Machine)有关的事物。后来其词义逐渐演变为探究物体机械运动本质的学问。衍生的单词Mechanism则指机制、机理。
17世纪,牛顿提出著名的三大定律,以牛顿三大定律为基础的力学被后世称为经典力学(Classical Mechanics)。值得注意的是,牛顿在其名著《自然哲学的数学原理》中几乎没有怎么用到Mechanics一词。
经典力学主要研究物体的受力、动量、能量,以及它们之间关系。例如,牛顿第二定律如是说:物体所受到的外力等于其惯性质量与加速度的乘积。在经典力学里面,力是核心概念,物体的受力是决定其运动的主要因素,因此将Mechanics翻译为力学很合理。
18世纪,数学家发展了分析力学(Analytical Mechanics),用更基础的数学形式重新描述了经典力学,牛顿定律被表述为等价的数学形式——拉格朗日方程、哈密顿方程。在分析力学中,力不再是重要的概念,居中心地位的物理量是能量(Energy)。
20世纪,量子力学(Quantum Mechanics)问世后,更是彻底地抛弃了力(Force)的概念。量子力学中完全没有经典力学中的力,而是保留了质量、能量、动量等概念。
英文中的Mechanics一词与Force一词在词义上并无直接联系,而且现代物理中很多以Mechanics为名的学科里面已经没有了力的概念,那么问题来了,Mechanics是否还应该翻译成力学呢?
由于Mechanics的词义经历了许多历史演变,要找一个中文词准确地表述其所有含义,并非易事。沿用人们习惯的“力学”这个词,不失为一种很好的选择。
再来看一个例子,Kinetics是经典力学的一个分支,指研究运动的起因、特别是运动与力的关系的学问,中文翻译是动力学。在现代很多英文文献和教科书中,Kinetics这个词被另一个词Dynamics取代。Dynamics研究物理系统随时间的变化,以及其背后的原因。在中文文献中,Dynamics仍翻译为动力学。例如,Electrodynamics,即电磁场随时间变化的规律的学问,翻译为电动力学。在现代物理中,造成物理系统演化的原因与力没有直接关系,因此作者认为,Dynamics是否应该翻译为动力学值得商榷。
不仅量子力学与力无关,20世纪物理学的另一项伟大成就广义相对论则指出:引力不是力(Gravity is not a force)。在物理学史上,引力(Gravitation或Gravity)的含义经历了数次演变。
Gravitation这个词起源于拉丁语的Gravitas,即重量(Weight)的意思,其本意是指地球上物体的重力。后来,牛顿发现地球上物体的重力与宇宙天体之间的相互吸引力是同一种力,称之为万有引力(Universal Gravitation)。
牛顿的万有引力定律取得了巨大的成功。从地球上万物的运动,到宇宙天体的运行,都能被万有引力定律很好地解释和计算。然而,牛顿并没有解释引力是怎么产生的,为什么引力是超距作用,即不接触的两个物体之间为什么会有力的作用?
20世纪初,爱因斯坦提出了一个全新的引力理论——广义相对论。在广义相对论中,引力被描述为时空的几何曲率,将时空曲率与处于其中的物质的质量和能量联系在一起。所谓引力,并不是一个物体对另一个遥远的物体产生了神秘的超距作用,而是这个物体的质量导致时空弯曲,而另一个物体只不过是沿着弯曲时空中距离最短的路线运行而已。在平直的空间中,两点间距离最短的路线是直线。在弯曲的空间中,两点间距离最短的路线则是弯曲的。看起来像是有个吸引力(Attracive Force)使得物体的运动方向发生偏转,但实际上引力不是力,而是由时空弯曲导致物体运动轨迹发生改变的一种效应。
举一个大家熟知的例子——地球围绕太阳公转。按照经典力学的解释:太阳产生的引力作用在地球上,导致地球围绕太阳公转,轨道为椭圆形。然而,广义相对论提出了全新的解释:太阳的巨大质量使得它周围的时空弯曲,地球沿着弯曲时空中距离最短的路线运行,这个路线正是围绕着太阳的一个椭圆轨道。因此,并不是遥远的太阳产生了一个力作用地球上。引力不是超距作用,而是时空弯曲的一个必然结果。既然引力不是力,更准确的表述是“吸引相互作用”。引力是自然界的四种基本相互作用之一。