湖南土著分享 http://blog.sciencenet.cn/u/qhliu 理论物理博士,湖南大学教授。

博文

物理妙在无着处----谈谈物理学中的非物理量 精选

已有 15020 次阅读 2016-12-16 09:37 |个人分类:大学教育|系统分类:观点评述| 杨振宁, 哲学, 物理, 王国维

2016年接近尾声。从201512月至今,获得了至少三个新的头衔:中国物理学会科普委员会委员,高等学校数学物理方法研究会副理事长,《大学物理》编委,等。

2016年参加了不少社会活动。今天下午将在长沙梅溪湖梅溪书院讲堂做一个科普讲座,主要通过物理学及其发展讲解科学方法论和自然观。题目是《物理学照亮世界——科学观与方法论》。下面摘录其中的第二部分,该部分主要介绍一个观点:物理的真实,建立在虚无的基础之上,而这个传统,始于伽利略。不懂虚像者,何能懂实?

这里的所谓的虚无,就是通常所谓的“非物理量”,确切而言,是不可直接测量的量。

一,物理建立在“虚无”之上,从伽利略开始

运动是人类最习以为常的自然现象。但人类史上各古文明中,只有古希腊人认真研究过运动。亚里士多德的《物理学》阐述一套系统的运动理论,是古希腊人对运动研究的最高成就。亚里士多德把运动分为两种:天然运动(如天体的圆周运动和物体的自由下落)和激发运动(如投掷或推拉一个物体)。亚里士多德认为,力是物体保持运动状态的原因。对于天然运动,这个力来源于自身重力,对于激发运动,则来源于外加力。伽利略认为,只有施加外力,才能改变物体速度;维持物体速度不变,不需要任何外力。为了证实他的主张是正确的,伽利略做了一个实验。如图所示。假设第二个斜面是水平面,则该小球永远不能滚到先前的高度,因此会不停地呈匀速直线运动。


问题是,这是真的吗? 经验(观察或实验)不可能支持这个结论!例如说,

1,平面不可能完全光滑

2,空气阻力不能为零

3,无限远无法实现(地球是有限的)

4,绝对的平面是不存在的

5,…

也就是,惯性及其惯性定律,本身包含了不可直接检验的概念,而它们是物理学的基础!另外一方面,

在一个适当的时空尺度和技术发展水平上,惯性及其惯性定律完全成立,只要,

1,平面(不可能完全)可以充分光滑

2通过条件控制,空气阻力(不能为)可以足够小(零)

3,…

所以,从伽利略开始,物理需要一些抽象的概念,而这些概念不能用实验直接检验。这一点,已经深入物理学最具灵性的一部分。

2, 力学



在拉格朗日力学中,拉格朗日L是基本量,但是这个量是“虚”的!在哈密顿力学中,哈密顿H也是“虚”的!拉格朗日量和哈密顿量定义、运动在相空间。如果在实验观测一些现象,例如军事上的精确打击,月亮的盈亏等等,必须借助拉格朗日或者哈密顿运动来完成。这两个方程就是顶天和立地之间的桥梁。

3,电磁学


电场强度E,磁感应强度B,都不能直接测量。但是,电磁场随时间的演化满足这个方程。杨振宁对这个问题有很深的认识。他认为,在现代物理中,甚至四维势也不能为电磁场提供恰当的描述。

如果在实验观测一些经典电磁学现象,例如电火花,粒子的径迹,等等,必须借助洛伦兹力公式来完成。这个洛伦兹力公式就是顶天和立地之间的桥梁。

4,平衡态热力学


S,内能U,自由能F,焓H,吉布斯函数G等,都不能直接测量。

但是平衡态热力学的函数必须满足这些关系。如果需要在实验观测一些现象,例如热容量,压缩率,吸放热的量,温度的升降等等,是这些关系的后果。

5平衡态统计物理

配分函数Z就是一个“虚”量

如果需要在实验观测一些现象,例如热容量,压缩率,吸放热的量,温度的升降等等,都需要对配分函数求导数来完成。

6量子力学

波函数就是个“虚”量!或者说,不是一个直接可以用实验检验的量。波函数的运动满足薛定谔方程,这个运动还不是发生在实空间,而是在希尔伯特空间内进行!

当观测粒子分布密度,动量分布密度,干涉条纹,粒子衰变、分裂的等等,都需要对波函数进行进一步的运算来完成。

7,结语

自然中之物,互相关系,互相限制。然其写之于文学及美术中也,必遗其关系限制之处。故虽写实家,亦理想家也。又虽如何虚构之境,其材料必求之于自然,而其构造,亦必从自然之法律。故虽理想家,亦写实家也。”----(王国维《人间词话》第5则)

诗人必有轻视外物之意,故能以奴仆命风月。又必有重视外物之意,故能与花鸟共忧乐。”        ----(王国维《人间词话》第61则)

物理之妙全在无着之处,这也是物理真实的源头。

————





https://blog.sciencenet.cn/blog-3377-1021069.html

上一篇:大三学生SCI一区论文:统一了曲线和超面上粒子的运动方程
下一篇:本科生完全可能做出惊人的科学发现
收藏 IP: 49.123.80.*| 热度|

45 姬扬 朱晓刚 张球新 王安良 刘延彬 李泳 曾泳春 马红孺 惠小强 张江敏 李轻舟 康建 李颖业 侯沉 杨正瓴 史晓雷 岳雷 季顺平 张云 李土荣 韦玉程 吴江文 都世民 武夷山 邢志忠 张骥 尤明庆 朱林 宁利中 姜校林 林涛 侯吉旋 吴国林 王林平 wliming zjzhaokeqin xlsd wangbin6087 yangb919 xchen cep aliala physicism xqhuang dulizhi95

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (84 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-29 16:18

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部