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物理妙在无着处----谈谈物理学中的非物理量 精选

已有 10544 次阅读 2016-12-16 09:37 |个人分类:大学教育|系统分类:观点评述|关键词:物理,哲学,王国维,杨振宁| 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。

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