物理学中的“不可能”，本文主要内容关键词为：不可能论文,学中论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在人类享受电子技术、计算机、信息网络等一系列高新技术带来的新生活方式时，首先得感谢物理科学的发展。近几个世纪物理学的发展走在社会发展的前列，从宏观宇宙体系到原子内部微观世界，研究得相当广泛而深入，人类似乎是“无所不能”的。然而，在对客观规律的认知逐渐深刻的同时，也发现了许多令人扫兴的“不可能”事件，物理学家也只能面对这些事实遗憾地发出长叹。
1.永动机不可能制成
“永动机”的概念，除教科书之外， 现已经很少被人提起。 然而19世纪以前，人们十分热衷于此类机器的研究，“永恒运转”确实动听诱人。从历史上的几百种永动机模型来看，不乏丰富的想象、精奇的构思，但都以失败告终。
19世纪确立的热力学第一定律（广义形式是能量转化和守恒定律）指出，系统在对外做功的过程中内能要减少，要想不消耗其内能，外界必须同时对它做功或给它传递热量，也就是说，要不断供给系统能量，系统才能持续对外做功。热力学第一定律对无须消耗能量就能运转的“第一类永动机”作出了科学的判决。
于是人们又空想了第二类永动机，它能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响。有人曾计算过，地球表面有10亿立方千米的海水，以海水作为单一热源，若把海水的温度，哪怕只降低0.25℃，放出的热量将能变成一千万亿度的电能，足够全世界使用一千年，这并不违背热力学第一定律吧。但是热力学第二定律告诉我们，功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所获得的热量变为功，也就是说，自然界中任何形式的能都会容易地变成热，而反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能，即这种转变在自然条件下是不可逆的，第二定律否定了以特殊方式利用能量的可能性。
2.绝对零度不可能达到
在低温世界里有许多引人入胜的现象，如超导、光速会降低到每秒17m左右、液态氢蒸发时所需的热量异常的低等， 这些现象用经典物理学都无法解释。19世纪末，英国物理学家开尔文创立了热力学温标，热力学温度与摄氏温度间的关系为T＝t＋273.15K，其最低温度OK＝－273.15℃， 这一温度称为绝对零度，开尔文指出在此温度下分子的内能降为零，若能获得这一温度，其丰富内涵是不言自明的。
人类真正向低温进军是从气体的液化开始的。18世纪末，人们用对气体加压的方法液化了不少气体，将液化气体慢慢降压，蒸发时蒸气吸热逸散，余下的液体温度下降，从而获得低温，1835年用此法获得了－110℃（163K）的低温。1908 年荷兰莱登大学教授昂纳斯液化了自然界最难液化的气体氦，从而获得了更低的温度0.7K，叩开了1K的大门后，昂纳斯加紧努力，期望获得更低的温度，但直至临终仍无长足进展。
1912年能斯特根据低温现象的研究得出热力学第三定律：不可能用有限的手续使系统冷却到绝对零度。这个结论也叫绝对零度不可到达原理。1957年人们借助磁冷却达到10[－3]K，后来进一步又破了10[－6]K的大关，可是越是逼进绝对零度，到达绝对零度的希望就越是遥远，因此绝对零度似乎是人类不能打破的一个奇怪而不可思议的极限。
3.无法同时准确测量粒子的动量和位置
一对双胞胎，别人看来长得完全一样，但他们的父母总是可以区分的，雪花都是六角形，但显微镜下没有两朵雪花的形状是完全相同的，对于这样的宏观物体我们总能找到方法加以区别。那么像原子－分子这样的微观粒子，也应该有方法将它们区别开来吧！
然而，微观粒子具有波粒二象性告诉我们，整个物质体系的粒子是互相关联的，正像宏观体系的相干振源所产生的合振动一样，无法再将他们区别，这个观点确实不易被人所理解。不仅如此，微观粒子还不能同时具有确定的位置和动量，两者不能同时被测准。在牛顿力学里，宏观物体具有确定的位置和动量，如手抛出的小球，任何时刻均可准确测量小球的运动状态。而微观粒子，只能测定其动量和位置中的一个，这两个量，一个测定得越精确，愈清楚，则另一个就愈不精确，愈不清楚，这就是微观粒子的“双方测不准”现象。
微观粒子固有的这种现象，被实验和理论所证实：海森堡对云室中的电子“径迹”研究后发现，电子只可能以一定的不确定性出现在某一位置上，又以一定的不确定性具有某一速度。能很好地解释测不准关系的是量子理论。量子理论与相对论是20世纪物理学最深刻的革命，是现代科学技术赖以依靠的两大支柱。
4.超光速不可能实现
光速是目前宇宙中已知的最快速度，每秒达三十万千米，一般人从不埋怨电磁波跑得慢。然而，将来人类要和别的星球建立联系时，麻烦就来了，即使是光这样十分可观的速度，去离太阳系最近的恒星，来回一趟也需要8.6年的时间，而发一条电报到大家熟知的“织女星”， 则要等到54年后才可能。若要联络2万多光年远的恒星集团M13上可能存在的“人”，就更令人扫兴了。看来人类很有必要寻找能超越光速的东西。
有人提出了“v＝at 方案”：一个力施加在一个物体上会产生加速度，从而其速度必将越来越大，只要时间足够长，终会超越光速。但是相对论告诉我们，随着物体速度的增大，物体的质量也会随之增大，其关系式为
这个式子表明，随着物体的速度v接近光速c，其质量迅速趋向无穷大，要使这样的物体加速，无疑需要一个趋向无穷大的力，可惜宇宙中既没有像这样具有无限大质量的物体，也没有无限大的力。
也有人提出“多级列车方案”：让大列车相对于地球以速度v 行驶，爬在大列车上的第二级小一些的列车，相对于大列车也以速度v 行驶，小列车上还可以有更小的列车，依次一级骑一级，形成所谓多级列车方案。这样虽然大列车的车速v不太大，只要列车数足够多， 最上面一级列车相对于地球的速度总可以超过光速。但是，这个方案同样被相对论无情地否定了，因为在相对论中速度的相加，并非是按经典物理学中那样简单地求和，根据同时的相对性原理，上述方案里所有速度“相加”后的总和依然是小于光速c的。
还有个更好的“筷子方案”：水平固定一根筷子，让另一根筷子与水平方向成θ角， 并以速度v落下，则两者交点的速度u＝v·ctgθ， 只要θ足够小，v不必很大，u就能超过光速，这可是铁定无疑的事实呀！
对此，相对论确实无法否认，不过也不否定光速不可超越的事实。像这样的“超光速”例子，理论上还能从光斑的运动中大量找到，这只不过是几何学上的超光速，与实际不存在任何实质上的因果联系，没有物理意义。
所谓光速，事实上就是宇宙间所有物理作用传递（能量或信息）的速度极限，光速不变原理和光速不可超越原理是相对论的重要支柱之一，大量实验和事实都证明了这一结论是正确的。若能发现运动物体存在超光速的实例，相对论的大厦就倒塌了。
真理并非一成不变，经典的概念总存在着局限性，这些被物理大师们定性为“不可能”的事件将来有否成为可能呢？