“能量最低原理”或不可成立

张建平 原创 | 2008-04-17 14:31 | 投票

原理介绍:

众所周知在原子物理学当中有一个“能量最低原理”,它是多电子原子体系基态原子核外电子的排布必须遵循的三个基本规则之一。这三个规则是:

1)保利不相容原理

1925年,奥地利化学家保利(Pauli)根据光谱实验的事实总结得出:在同一原子中,没有运动状态完全相同的电子,或者说是在同一原子中,没有四个量子数完全相同的电子。这就是保利不相容原理。根据前面所学的四个量子数的取值规则及保利不相容原理,可以推断在一个原子轨道中最多只能容纳两个自旋状态相反的电子;在一个电子亚层中最多可以填充21)个电子;在一个电子层中最多可以填充个电子。

2)能量最低原理

这是一个物理世界普遍适用的原理,基态多电子原子在进行核外电子的填充时,在不违背保利不相容原理的前提下,总是尽可能的优先占据能量最低的轨道,只有这样,整个原子体系的能量才是最低的,原子也才是最稳定的。根据能量最低原理,核外电子总是按照能级图中原子轨道的能量顺序依次从低到高填充的。

3)洪特规则

洪特规则是在1925年,由德国的科学家洪特(Hund)根据光谱数据总结出来的。该规则指出,电子在填充 相同,能量相等的简并轨道时,总是尽可能的以自旋平行的方式单独填充进入简并轨道。这是因为当一个原子轨道已经被一个电子占有后,另一个电子要继续填入该轨道时,就必然要克服先填入的那个电子的排斥作用力,从而使整个体系的能量升高,这种克服两电子之间的排斥力而使其在原子轨道中成对所需要的额外的能量叫做电子成对能。当电子单独填充进入简并轨道时,就不需要这种电子成对能,整个原子体系的能量就低一些。可见,洪特规则实际上是能量最低原理的补充。在洪特规则中还有一类特例,当某组简并轨道的电子处于全充满,如p6d10f14;半充满,如p3d5f7和全空如p0d0f0时,其能量是最低的,原子体系最稳定,因此,电子填充时总是优先形成这类排布。

(以上内容摘自http://tieba.baidu.com/f?kz=77488134

“能量最低原理”的问题出在将其引用于整个物理学领域甚至非物理学领域。例如有如下论述:

【能量最低原理实质就是是势能最低原理,如果物体(系)具有势能,则势能越低,其状态越稳定。势能又是和位置相关的,大小是由相对位置决定的,势能低的,所处的相对位置就低;势能高的,所处的相对位置就高。而无论是处于那种状态的物质,都是朝着势能最低的状态转化的,也就是说所有物质都在追求它的最稳定状态。比如原子核周围的电子,再比如“水往低处流”,都是事物在向势能最低的趋势发展。】

【物体运动的趋势局限于一定的范围,这个范围由物体所处状态到势能最低状态(稳定)所需经历的空间所决定,不取决于物体在该状态时的受力情况及可能的加速度。允许物体运动的范围越大,势能也越大。】

【能量最低原理的普遍意义就是:在任何保守力作用的物体系中,物体在无其他外力作用时,总是向势能减少的方向变化——即总是自发地、必然地趋于稳定。趋于势能最低的过程中,物体会释放能量。】(摘自http://tieba.baidu.com/f?kz=98721277

 

不成立质疑

大家都知道另一条更加基本的物理学基础原理,叫做“能量守恒”。

如果有AB两个物质团,在T1时刻和T2时刻的能量分别是Ea1Ea2Eb1Eb2T1时刻的总能量即为:E1Ea1Eb1T2时刻的总能量为E2Ea2Eb2。按照能量最低原理,一定有Ea1>Ea2Eb1>Eb2,因此,必然有Ea1Eb1>Ea2Eb2,也就是说,E1>E2。但是按照能量守恒原理应该是E2E1,不可能有E1>E2这种情况。

能量守恒是对总系统而言的。如果总能量守恒的系统内部有能量分布的差异,对于局部子系统来说,能量就必然是有增有减,否则就不能总体守恒。既然有增有减,而且这个能量传输过程是自然现象,就不能说能量会自动趋于最低,当一个系系统能量减少时,必然有另一些子系统吸纳这些能量而导致能量增高。太阳辐射能量能量逐步减少,但是地球等星体在接受这些太阳能量,能量在逐步增加。

如果把总系统分解为有限的N个子系统,上边的不等式分析同样可以成立,只要N是有限数,如果是无限就另当别论了。而现在物理学所谓的“宇宙”恰恰是一个“有限的宇宙”而不是哲学上那个无限的宇宙。

热力学第二定律的熵理论当中也有类似这种片面问题,即只看到热物体温度自动降低,由此便总结出热寂论,而不提冷却过程中散失的热量跑到哪里去了,以及接受这些热量的物体的温度或熵会发生什么变化。

 

把能量最低原理解释为“势能最低原理”可以成立吗?那么说宇宙膨胀的这个事实,岂不是一个势能增加违背原理的过程?又该如何解释?

如果说“势能越低越稳定”,是不是意味着星系的塌陷、宇宙的塌陷是一个趋于稳定的过程,是不是可以说“黑洞”是最稳定的?那么一个极端稳定的奇点还会不会有宇宙大爆炸产生?一个膨胀到即将塌陷的宇宙的能量和塌陷后的奇点宇宙的能量是否相等?

宇宙大爆炸理论也有很多疑问。支持宇宙源于大爆炸而膨胀的理论的事实是“红移”现象,也就是上下前后左右所有的星体都在离我们而远去。但是我们知道,源于一个点的爆炸而产生的碎片应该在一个冲击波面上,就像我们看到的球形焰火所有的光点都在一个球面上一样。由于宇宙的尺度很大,这个球面可以看作是平坦的,也就是说宇宙应该是平面,而不是立体的,我们只应该观察到前后左右,而没有上下。但是,现实的宇宙是立体的,而且其深度是以“亿光年”为尺度的,这意味着源于原点爆炸的物质流是有先有后的,是持续的“喷射”,而不是瞬间的爆炸。已经有天文资料表明,黑洞会在两极方向向外喷射物质,从而形成新的星系。

 

或许,所谓“能量最低原理”不过就是“存在即合理”这种哲学思想的一种表达形式吧,仅此而已。

 

阅读链接视频:

1http://tv.sohu.com/20071219/n254172926.shtml

2http://www.cctv.com/video/zhongguoxinwen/2007/10/zhongguoxinwen_300_20071013_19.shtm

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